超級(jí)電容器電源子系統(tǒng)讓您的電池養(yǎng)精蓄銳

如今手機(jī)具備越來越豐富的功能，耗電量也隨之增加。兩三年前流行的VGA成像器目前正在被具備320萬像素且配備更高電流LED閃光燈的成像器取代(有些甚至高達(dá)800萬像素)；可進(jìn)行多媒體錄音的高電耗立體聲驅(qū)動(dòng)器，正逐漸取代低電耗單聲道音頻驅(qū)動(dòng)器。隨著3G網(wǎng)絡(luò)的普及，無線數(shù)據(jù)傳輸呈指數(shù)增長(zhǎng)，這就需要手機(jī)中配備更多的射頻功放來處理語音呼叫和數(shù)據(jù)流。遺憾的是，這些功能在使用時(shí)都會(huì)消耗大量的電池電流(1A+)。如果同時(shí)使用這些功能，就會(huì)導(dǎo)致電池電流的經(jīng)常性故障，或者出現(xiàn)手機(jī)故障關(guān)機(jī)現(xiàn)象。

針對(duì)峰值電池電流出現(xiàn)的問題，其解決方案包括謹(jǐn)慎管理脈沖計(jì)時(shí)以及減少對(duì)整體性能的要求(例如限制閃光燈電流或音量大小)。但是，這兩種解決方案都限制了手機(jī)性能的延展，因此并不被提倡。另外還有一種方法可供選擇，那就是創(chuàng)建一個(gè)基于超級(jí)電容器的電源子系統(tǒng)，而且超級(jí)電容器管理芯片能夠幫助應(yīng)用程序完全復(fù)原。

目前系統(tǒng)面臨的問題

針對(duì)鋰離子電池的電流限值(約為2A-3A)，設(shè)計(jì)者必須謹(jǐn)慎管理系統(tǒng)中不同負(fù)載的電流需求分配，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。此外，當(dāng)電池電壓降低并接近系統(tǒng)阻斷電壓時(shí)，與電池ESR相連的強(qiáng)電流脈沖會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障關(guān)機(jī)。

舉例來說，如果在進(jìn)行LED閃光操作的同時(shí)進(jìn)行GSM傳輸，那么脈沖電流的總需求量很容易超過3A(GSM傳輸為2A，LED閃光操作為1.5A)。

為了防止發(fā)生過電流現(xiàn)象，許多手機(jī)設(shè)計(jì)要么采用降低額定值的閃光電流，從而將輸入電流水平降低到可控水平；要么在閃光燈LED驅(qū)動(dòng)器芯片中采用傳輸中斷引腳。傳輸中斷信號(hào)會(huì)在射頻功放和閃光燈驅(qū)動(dòng)器之間提供一種同步機(jī)制。當(dāng)射頻功放在閃光操作期間進(jìn)行傳輸時(shí)，閃光中斷將啟動(dòng)，從而使閃光電流降低或完全關(guān)閉。這一功能可防止電池過載。如果采用滾動(dòng)快門，那么拍出的照片會(huì)出現(xiàn)暗線或暗部。如此看來，兩種方法都會(huì)造成照片質(zhì)量下降。

圖1顯示了大量脈沖負(fù)載施加到電池上產(chǎn)生的影響，著重顯示了電池ESR壓降以及總脈沖電池電流的量級(jí)。假設(shè)現(xiàn)在有一塊100mΩ的電池ESR，負(fù)載包括1.2A的LED閃光脈沖、2A的GSM傳輸脈沖和立體聲D類放大器供電，那么峰值脈沖電流可能會(huì)超過4A，并造成電池組電壓瞬間降低400mV。

F1: 大量脈沖負(fù)載施加到電池上產(chǎn)生的影響。

為了避免產(chǎn)生這種壓降，必須降低閃光電流和音頻功率，從而將峰值電流降低到系統(tǒng)可以承受的范圍內(nèi)，此外也可采用增加電池容量的方法。而添加一個(gè)超級(jí)電容器，可以在無需增加電池容量的情況下有效提高電池的脈沖電流處理能力，同時(shí)還可協(xié)助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全部功能。

什么是超級(jí)電容器？

超級(jí)電容器的準(zhǔn)確名稱，是電化學(xué)或電雙電層電容器(具體名稱取決于制造商)，簡(jiǎn)稱EDLC。超級(jí)電容器的表現(xiàn)與傳統(tǒng)電容器(包括多層陶瓷電容器、鉭電容器、電解電容器等)相似，但能量密度更高。這是由具有極大的電荷存儲(chǔ)表面積的多孔炭電極與專門的電解質(zhì)提供的極薄的板分離層相結(jié)合而形成的。

EDLC的電容值不適合置于超薄便攜系統(tǒng)(應(yīng)用于氙氣閃光燈的電解電容器的典型厚度為6mm以上，與之相比，EDLC的典型厚度約為2mm-3mm)。對(duì)最大額定電壓為2.75V-2.85V的單元電容器而言，EDLC的電容值可以達(dá)到180mF-1.8F。本文將重點(diǎn)討論額定電壓為5.5V-5.7V(兩個(gè)單元EDLC串聯(lián))以及電容值為425mF-550mF的雙單元 EDLC。

在何處放置超級(jí)電容器？

在便攜系統(tǒng)中使用大電容具有很多優(yōu)勢(shì)。超級(jí)電容器所在的位置會(huì)對(duì)電池供電電流產(chǎn)生顯著影響。

如果將超級(jí)電容器與系統(tǒng)電池并排放置，那么在LED閃光驅(qū)動(dòng)器或射頻傳輸吸收大電流時(shí)，超級(jí)電容將有助于降低電池的峰值電流。超級(jí)電容器和電池提供的電流量與其ESR值成反比。較低的ESR(這種情況下電池和超級(jí)電容器互相組合)會(huì)產(chǎn)生較大的電流。超級(jí)電容器的ESR值可以低至50mΩ，而典型的鋰離子電池的ESR值為200mΩ-300mΩ。圖2的一組公式顯示了來自電池的初始電流和來自超級(jí)電容器的電流之間的比較。

圖2

隨著負(fù)載脈沖的持續(xù)增加，超級(jí)電容器的放電會(huì)使來自超級(jí)電容器的電流減少，同時(shí)使來自電池的電流增加。

采用并聯(lián)超級(jí)電容器確實(shí)有助于防止故障關(guān)機(jī)，但是這種配置也存在一些問題。為了避免損壞電池，應(yīng)在電池與超級(jí)電容器之間布置某些形式的限流電路。當(dāng)超級(jí)電容器完全放電之后，會(huì)呈現(xiàn)出對(duì)地短路，并將從電池中吸收盡可能多的電流。

F3: 共享負(fù)載可以最大限度地減少脈沖負(fù)載造成的電池ESR值的降低，從而有可能擴(kuò)展電池的可用范圍。

限流電路的構(gòu)建非常簡(jiǎn)單，例如，可以通過添加串聯(lián)電阻來防止峰值電流低于電池允許的最大值，這樣做行的通，但是較大的RC時(shí)間常數(shù)會(huì)降低系統(tǒng)的整體效率，并影響電容器的充電時(shí)間。另一種限流電路，是將一個(gè)限流線性電壓調(diào)節(jié)器(LDO)置于超級(jí)電容器和電池之間，從而為超級(jí)電容器充電，并控制峰值電池電流。使用LDO時(shí)，由于其無法提升電池電壓，因此超級(jí)電容器的目標(biāo)電壓必須始終低于電池電壓。第三種選擇(見后文)是在電池和超級(jí)電容器之間采用某些升壓變換器，形成固定的電壓軌，從而對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行再充電，并滿足超級(jí)電容器系統(tǒng)的平均電流要求。

超級(jí)電容器系統(tǒng)

圖4中的例子采用了與圖1相同的負(fù)載配置和負(fù)載控制器，利用超級(jí)電容器充電器/控制器將電池峰值電流限制在可控水平(約500mA)，并將電池ESR造成的壓降保持在50mV左右。在這個(gè)例子中，超級(jí)電容器和控制器將峰值電流和ESR壓降減少了85%以上，同時(shí)沒有削弱子系統(tǒng)的負(fù)載性能。

圖4

應(yīng)用中對(duì)超級(jí)電容器管理芯片有哪些要求？

采用雙單元超級(jí)電容器時(shí)需要滿足一些采用其它電介質(zhì)電容器所不需要的特殊要求。EDLC管理芯片必須能夠符合這些要求，以切實(shí)保護(hù)EDLC，并控制超級(jí)電容器電源子系統(tǒng)。

1. 超級(jí)電容器子系統(tǒng)管理芯片的輸入電流限值，必須與移動(dòng)設(shè)備中的電池和其他系統(tǒng)相一致。超級(jí)電容器子系統(tǒng)應(yīng)支持高電流脈沖負(fù)載，同時(shí)又不中斷正常的系統(tǒng)功能。產(chǎn)品設(shè)計(jì)者必須首先為不同電源域(例如基帶處理器、顯示屏)的設(shè)計(jì)制定預(yù)算。

例如，如果所用電池的電流限值為2A，并且與超級(jí)電容器無關(guān)的功能可以在任一特定時(shí)間達(dá)到1.4A，那么選擇輸入電流限值為600mA的超級(jí)電容器管理芯片就可以避免觸發(fā)電池過流保護(hù)裝置。

開關(guān)電容升壓轉(zhuǎn)換器和同步感應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器，比異步感應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器更適于對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電。異步轉(zhuǎn)換器無法主動(dòng)斷開輸出端和輸入端。如果超級(jí)電容器放電直至低于電池電壓值，并且電池連接到了系統(tǒng)，那么將無法限制充電電流，因?yàn)?a target="_blank">肖特基二極管開始充當(dāng)導(dǎo)體，而電流的流動(dòng)也將不受控制。同步升壓轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電容升壓轉(zhuǎn)換器都具有內(nèi)控式場(chǎng)效應(yīng)管，可限制流入超級(jí)電容器的電流。

2. 超級(jí)電容器管理芯片必須能夠在其額定輸出電流限值內(nèi)處理輸出短路。電容為0.5F的超級(jí)電容器完全放電之后，就如同充電周期之初的對(duì)地短路。多數(shù)電源管理芯片都基于升壓體系(無論是感應(yīng)電容器還是開關(guān)電容器)，會(huì)在輸入電流限值內(nèi)運(yùn)行，直至電容器接近其目標(biāo)輸出電壓。這就要求在啟動(dòng)時(shí)管理芯片能夠耗散設(shè)備的大量功率。

例如，如果電池電壓為4.0V，管理芯片的輸入電流限值為500mA，假設(shè)超級(jí)電容器完全放電(VCAP=GND或0V)，則芯片必須在最初耗散設(shè)備中的2W功率，并繼續(xù)充電過程。

隨著超級(jí)電容器電壓的升高，芯片的耗散功率將會(huì)減少。

3. 子系統(tǒng)進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，子系統(tǒng)管理芯片應(yīng)使升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端處于高阻態(tài)。這將防止EDLC在不使用時(shí)產(chǎn)生放電。

4. 需要為雙單元超級(jí)電容器提供一個(gè)單元電壓平衡方案，以避免每個(gè)EDLC單元出現(xiàn)過壓。簡(jiǎn)單的電阻器就能用來平衡單個(gè)EDLC單元的電壓，但是會(huì)繼續(xù)吸收超級(jí)電容器的電流。首選的方法，是采用主動(dòng)平衡方案，即利用放大器來驅(qū)動(dòng)平衡終端，從而維持EDLC單元的平衡。有效的主動(dòng)平衡方案能夠從特定的EDLC單元獲取和吸收電流，以確保每個(gè)單元上的電壓等于總輸出電壓的一半。

圖5

閃光燈

除了上文提到的優(yōu)勢(shì)，采用超級(jí)電容器子系統(tǒng)在僅連接至電池時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)在超出閃光燈驅(qū)動(dòng)器所允許的電流水平下驅(qū)動(dòng)LED閃光燈陣列。根據(jù)采用的電容值以及LED的數(shù)量，閃光燈電流可以超過5A并持續(xù)33ms。在該電流水平下，LED陣列可以產(chǎn)生接近于氙氣閃光燈的曝光值(lx*s)，解決方案更加纖薄，并支持持續(xù)的電影模式，而這點(diǎn)是氙氣閃光燈無法做到的。此外，LED還可以在較低電流水平下持續(xù)驅(qū)動(dòng)，以支持電影模式光線，這也是氙氣燈無可比擬的。

缺點(diǎn)

盡管超級(jí)電容器子系統(tǒng)具有上述種種優(yōu)勢(shì)，但是還存在一些不太理想的設(shè)計(jì)考量。首先是電容器本身的物理尺寸。盡管超級(jí)電容器比基于氙氣的解決方案更纖薄，但是一個(gè)可以處理5.5V額定操作電壓的典型超級(jí)電容器的平均高度為2mm-3mm，所占面積為360mm2- 00mm2。而將該尺寸元件置于移動(dòng)設(shè)備中，目前尚有一定難度。

此外，目前的超級(jí)電容器無法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)回流裝配，需要額外的裝配流程，這會(huì)造成生產(chǎn)成本的增加。再者，超級(jí)電容器在高溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)膨脹，導(dǎo)致元件受損，并出現(xiàn)壽命問題。

結(jié)論

在便攜設(shè)備中運(yùn)用超級(jí)電容器可以同時(shí)支持多種高電流負(fù)載脈沖。在支持射頻功放傳輸脈沖、高功率立體聲驅(qū)動(dòng)器和LED照相機(jī)閃光燈的同時(shí)，可以使電池電流保持在易于控制的水平，從而有助于消除許多設(shè)計(jì)難題(如時(shí)間限制、電池ESR顯著下降)。運(yùn)用上述標(biāo)準(zhǔn)正確評(píng)估電容器驅(qū)動(dòng)器/控制器，將有助于使所有設(shè)計(jì)都能充分利用超級(jí)電容器子系統(tǒng)，并最大限度地降低設(shè)計(jì)周期后期出現(xiàn)的難題。隨著超級(jí)電容器性能的提高(例如額定電壓和容量提升、ESR和物理尺寸降低)，手機(jī)的高級(jí)功能將越來越多，從而提供更加豐富的用戶經(jīng)驗(yàn)。