双向超级电容器充电器集成了备份和平衡功能

摘要：本文介绍了超级电容器，并对超级电容器与电池进行比较，分析了电容器设计困境与挑战。

1 背景信息

　　超级电容器 (又称为 SCAP、双层电容器等) 不仅仅是电容非常大的电容器。与标准陶瓷、钽或电解质电容器相比，超级电容器以类似的外形尺寸和重量提供更高的能量密度和更大的电容。随着生产超级电容器的成本持续下降，同时市场逐步了解超级电容器的功能，超级电容器正在传统电容器和电池之间开拓出一个日益增长且有利可图的市场。此外，尽管对待超级电容器需要某种程度上的“小心维护”，但是在那些要求高电流 / 短持续时间后备供电的数据存储应用中，它们可为电池起到增补作用 (作为一种可降低主电源所承受之应力从而延长其寿命的互补电源)，甚至取代电池。再者，超级电容器还可用在需要大电流突发或短暂电池备份的各种高峰值功率和便携式应用中，例如 UPS (不间断电源) 系统。与电池相比，超级电容器以更小的外形尺寸提供峰值功率更大的突发，在更宽的工作温度范围内提供更长的充电周期寿命。通过降低电容器的 Top-Off 电压和避免高温 (>50℃)，可以最大限度延长超级电容器的寿命。参见图 1 和表 1 以了解超级电容器的能量密度以及与其他形式电源的比较。

2 超级电容器与电池比较总结

2.1 电池

　　• 能量密度高;

　　• 合理的功率密度;

　　• 在低温时 ESR 高。

2.2 超级电容器

　　• 合理的能量密度;

　　• 功率密度高;

　　• 低 ESR-甚至在低温时 (–20℃与 25℃ 相比，提高约 2 倍)。

2.3 超级电容器限制

　　• 最高终止电压限制到 2.5V 或 2.75V;

　　• 插入浪涌电流太大;

　　• 在保持应用中无电流反向保护。

2.4 串联超级电容器优势

　　• 允许更好地利用能量 E = 1/2 CV²;

　　• 简化“濒临崩溃”/ 备份电路;

　　• 对于 3.3V 备份采用升压而不是降压;

　　• 适合大功率备份、工业温度范围。

2.5 串联超级电容器的潜在问题

　　• SCAP 可能有容量失配问题;

　　• SCAP 泄漏失配可能随时间变化引起过压问题 ─ 电池需要持续平衡;

　　• SCAP 电容和 ESR 随时间变化下降，而且不总是以同样的速率下降;

　　• SCAP 退化随过压和高温而加速。

3 超级电容器设计困境

　　超级电容器有很多优势，然而在给串联的能量存储器件充电时，最终产品设计师可能要面对诸如电池容量平衡、充电时电池过压损坏、过大的电流消耗、解决方案占板面积很大而空间利用率又至关重要等问题。

　　串联电容器的容量平衡确保每节电池上的电压大致相当。超级电容器的容量不平衡可能导致过压损坏。每节电池配备一个平衡电阻器的外部电路是解决容量不平衡问题的一种办法。平衡电阻器的值将取决于超级电容器的工作温度及其充电 / 放电曲线。为了限制平衡电阻器引起的电流泄漏对超级电容器能量存储的影响，设计师还可以使用电流非常小的主动平衡电路。另一个容量失配的原因是泄漏电流不同。电容器的泄漏电流开始时很大，然后随着时间推移降至较低的值。不过，如果串联电池之间的泄漏电流失配，那么电池一开始再充电就可能过压，除非设计师用平衡电阻器消除泄漏电流。不过，平衡电阻器产生不想要的组件和负载电流，加重了应用电路负担。

4 超级电容器充电器IC设计挑战

　　在开始设计超级电容器充电方案时，设计师必须考虑的一些更棘手的问题是以下需求：

　　(1)备份能力。超级存储电容器最终要提供存储的能量，以在主电源轨万一出故障时提供备份。因此，通常需要两个单独的电源转换器：第一个用来给超级电容器充电，第二个用来保持主电源轨吸取超级电容器中存储的能量。用单个转换器提供这两种功能是最理想的，但是，转换器必须双向工作，检测主电源何时缺失，并在备份和充电模式之间无缝转换，同时还要具备很宽的工作范围，以确保利用所有可用备份能量。