超級電容器充電器平衡有關(guān)探討 - 全文

?????? 背景

　　凌力爾特公司 （Linear Technology Corporation） 推出兩節(jié)超級電容器充電器系列的最新產(chǎn)品 LTC4425，該器件采用具熱量限制的線性恒定電流 - 恒定電壓 （CC-CV） 架構(gòu)，從鋰離子/聚合物電池、USB 端口或其它 2.7V 至 5.5V 的電流受限電源，將兩節(jié)串聯(lián)的超級電容器充電至可編程的輸出電壓。

　　LTC4425 具有兩種運(yùn)行模式：充電電流曲線 （典型） 模式和 LDO 模式。在充電電流曲線模式時(shí)，該器件將超級電容組的頂端充電至輸入電壓 VIN，所用的充電電流與輸入至輸出電壓之差的變化相反，以防止產(chǎn)生過大的熱量。LDO 模式將超級電容器組充電至外部設(shè)定的輸出電壓，所用充電電流是固定的，而且也是外部可編程的。充電電流可用電阻器編程至高達(dá) 2A （峰值為 3A），而且每個(gè)電容器都通過內(nèi)部并聯(lián) （可選 2.45V/2.7V） 而受到保護(hù)，以防過壓。LTC4425 內(nèi)置的電流受限理想二極管具有極低的 50mΩ 導(dǎo)通電阻，以防止 VIN 向后驅(qū)動(dòng)，從而使該器件非常適用于多種大峰值功率電池和 USB 供電的設(shè)備、工業(yè) PDA、便攜式儀表和監(jiān)視設(shè)備、功率計(jì)、超級電容器備份電路以及 PC 卡/USB 調(diào)制解調(diào)器。

表 1：超級電容器、普通電容器及電池的比較

　　超級電容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫雙電層電容器（Electrical Doule-Layer Capacitor）、電化學(xué)電容器（Electrochemcial Capacitor, EC）， 黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因?yàn)榇顺夒娙萜骺梢苑磸?fù)充放電數(shù)十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實(shí)際上形成兩個(gè)容性存儲層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。

??? 小結(jié) － 超級電容器與電池的比較：

　　電池：

　　高能量密度

　　適度的功率密度

　　在低溫時(shí)具有大的等效串聯(lián)電阻 （ESR）

　　超級電容器：

　　適度的能量密度

　　高功率密度

　　低 ESR （甚至在低溫時(shí)）

　?。◤?-20°C 增至 25°C 時(shí)約提高 2 倍）

　　超級電容器的限制：

　　每節(jié)最大值限制為 2.5V 或 2.75V

　　在疊置式應(yīng)用中必須補(bǔ)償漏電流之差

　　在大的充電電壓和高溫時(shí)，壽命縮短得更快

　　較早一代兩節(jié)超級電容器充電器是為用 3.3V、3 節(jié) AA 或鋰離子/聚合物電池實(shí)現(xiàn)小電流充電而設(shè)計(jì)的，因?yàn)檫@些 IC 采用升壓型拓?fù)洹２贿^，超級電容器技術(shù)的改進(jìn)已經(jīng)使市場擴(kuò)大了，產(chǎn)生了很多未必局限在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域的中到較大電流的應(yīng)用。主要應(yīng)用包括固態(tài)盤驅(qū)動(dòng)器和海量存儲備份系統(tǒng)、工業(yè) PDA 和便利易用的終端等大電流便攜式電子設(shè)備、數(shù)據(jù)記錄儀、儀表、醫(yī)療設(shè)備、以及各種“謹(jǐn)守最后一刻”的工業(yè)應(yīng)用 。

　　超級電容器充電器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　超級電容器有很多優(yōu)點(diǎn)，不過，當(dāng)兩個(gè)或更多電容器串聯(lián)疊置時(shí)，就給設(shè)計(jì)師帶來了諸如容量平衡、充電時(shí)電容器過壓損壞、吸取過大電流、大占板面積/解決方案等問題。如果需要頻繁的大峰值功率突發(fā)，那么也許需要較大的充電電流。此外，很多充電電源也許是電流受限的，例如，在電池緩沖器應(yīng)用中或在 USB/PCCARD 環(huán)境中。就空間受限、較大功率的便攜式電子設(shè)備而言，應(yīng)對這些情況至關(guān)重要。

　　使串聯(lián)連接的超級電容器達(dá)到容量平衡，可確保每節(jié)電容器上的電壓近似相等，而超級電容器如果缺乏容量平衡，可能會(huì)導(dǎo)致過壓損壞。就小電流應(yīng)用而言，充電泵采用給每節(jié)電容器配一個(gè)平衡電阻器的外部電路，這是一種不算昂貴而又可解決這個(gè)問題的辦法。正如下面說明的那樣，平衡電阻器的值將主要取決于電容器的漏電流。但是如果串聯(lián)電容器之間的漏電流失配，那么電容器可能一開始再充電就會(huì)過壓，除非設(shè)計(jì)師選擇可在每個(gè)電容器上提供比電容器漏電流本身大得多的負(fù)載電流的平衡電阻器。平衡電阻器導(dǎo)致不必要的成份和永久性放電電流，加重了應(yīng)用電路的負(fù)擔(dān)。如果失配的電容器以大電流充電，它們也不為每節(jié)電容器提供過壓保護(hù)。

　　就中到較大功率應(yīng)用而言，另一個(gè)可解決超級電容器充電問題而且不算昂貴的方法是，采用一個(gè)電流受限的開關(guān)加分立器件和外部無源組件。采用這種方法時(shí)，電流受限的開關(guān)提供了充電電流和電流限制，同時(shí)電壓基準(zhǔn)和比較器 IC 提供電壓箝位，最后，具平衡電阻器的運(yùn)放實(shí)現(xiàn)超級電容器的容量平衡。然而，鎮(zhèn)流電阻器的值越低，靜態(tài)電流越高，電池運(yùn)行時(shí)間越短，顯然的好處是節(jié)省了費(fèi)用。不過，這種解決方案實(shí)現(xiàn)起來非常笨重，而且性能充其量也就是略微好一點(diǎn)。

　　上述滿足超級電容器充電器 IC 設(shè)計(jì)限制的任何解決方案都必須與一個(gè)大電流充電器相結(jié)合，以用于具自動(dòng)容量平衡和電壓箝位的兩節(jié)串聯(lián)超級電容器。因此，凌力爾特公司開發(fā)了一款面向中到大功率應(yīng)用的簡單但先進(jìn)的單片超級電容器充電器 IC，該 IC 無需電感器、無需平衡電阻器、有各種工作模式并具有低靜態(tài)電流。

　　一種簡單的解決方案

　　LTC4425 的自動(dòng)能量平衡功能保持兩節(jié)超級電容器有相等的電壓，從而無需用于平衡的電阻器，同時(shí)保護(hù)每節(jié)超級電容器免受過壓損壞，并最大限度地減少電容器的漏電流。當(dāng)輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，該 IC 以非常低的 20uA 靜態(tài)電流運(yùn)行，而在停機(jī)時(shí)僅從 VIN 或 VOUT （視哪一個(gè)電壓較高） 吸取 2uA 電流?；境潆婋娐穬H需要 6 個(gè)外部組件，而且是高度緊湊，采用占板面積為 9mm2 的纖巧封裝以及有引線的封裝。其它關(guān)鍵特點(diǎn)包括一個(gè) VIN 電源故障指示器以及通過 PROG 引腳連續(xù)監(jiān)視 VIN 至 VOUT 的電流。其它保護(hù)功能包括電流和熱量限制，該限制可在溫度過高的情況下降低充電電流。

　　LTC4425 是凌力爾特的兩節(jié)超級電容器充電器系列的新器件，用于在便攜式和數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用中滿足大峰值功率、數(shù)據(jù)備份和“謹(jǐn)守最后一刻” 應(yīng)用的需求。該器件采用具熱量限制的線性恒定電流、恒定電壓架構(gòu)，用鋰離子/聚合物電池、USB 端口或 2.7V 至 5.5V 電流受限電源將兩節(jié)串聯(lián)的超級電容器充電至可編程的輸出電壓。LTC4425 有兩種工作模式：充電電流曲線 （通常） 模式和 LDO 模式。充電電流可用電阻器編程至 2A （3A 峰值），而且每個(gè)電容器都受到內(nèi)部分路器保護(hù)以免過壓損壞 。該 IC 內(nèi)置的電流受限的理想二極管具有極低的 50mΩ 導(dǎo)通電阻，以防止 VIN 向后驅(qū)動(dòng)，并使該器件適合于多種大峰值功率電池及 USB 供電設(shè)備、工業(yè) PDA、便攜式儀表和監(jiān)視設(shè)備、功率計(jì)、超級電容器備份電路以及 PC 卡/USB 調(diào)制解調(diào)器。

　　LTC4425 采用兩種緊湊、耐熱增強(qiáng)型封裝：12 引線、扁平 （高度僅為 0.75mm） 3mm x 3mm DFN 封裝；12 引線 MSOP 封裝。該器件在 -40°C 至 125°C 結(jié)溫范圍內(nèi)工作。

?

圖 1：LTC4425 方框圖/應(yīng)用電路

　　LDO 模式

　　LDO 是一種線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或 FET，從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的LDO（低壓降）穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管（也稱為傳遞設(shè)備）作為 PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個(gè)非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右；與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負(fù)輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運(yùn)行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類似。

在 LDO 模式時(shí)，通過 FB 引腳用一個(gè)外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定輸出電壓 （VOUT），該分壓器網(wǎng)絡(luò)由 RFB1 和 RFB2 組成，而充電電流通過 PROG 引腳用一個(gè)外部電阻器 RPROG 設(shè)定。參見圖 2 中所示的方框圖。充電器控制電路由一個(gè)恒定電流放大器和一個(gè)恒定電壓放大器組成。當(dāng)啟動(dòng)該 IC 以給一個(gè)已放電的超級電容器組充電時(shí)，最初恒定電流放大器起控制作用，并伺服 PROG 引腳電壓至 1V。通過 PROG 電阻器的電流乘以約為 1,000 的檢測 MOSFET （MPSNS） 和功率 MOSFET （MPSW） 之比，以給超級電容器組充電。當(dāng)輸出電壓 VOUT 接近設(shè)定值時(shí)，恒定電壓放大器接管控制權(quán)，而且如果有必要?jiǎng)t減少充電電流，以保持 FB 引腳電壓等于一個(gè) 1.2V 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。因?yàn)?PROG 引腳電流始終約為充電電流的 1/1,000，所以 PROG 引腳電壓持續(xù)指示實(shí)際充電電流，即使在恒定電壓放大器起控制作用時(shí)也是如此。

　　充電電流曲線 （通常） 模式

　　當(dāng) FB 引腳短路到輸入電壓 VIN 時(shí)，LTC4425 進(jìn)入充電電流曲線模式。在這種工作模式時(shí)，恒定電壓放大器從內(nèi)部禁止，但是充電電流仍然通過外部 RPROG 電阻器設(shè)定。如果輸入至輸出電壓差 （VIN? – VOUT） 超過 750mV，那么充電器提供的電流是設(shè)定充電電流的 1/10， 以限制芯片內(nèi)的功耗。當(dāng) VOUT 進(jìn)一步上升時(shí)，充電器 FET 兩端的電壓變得太低，以至于無法支持滿充電電流。因此充電電流逐步降低，充電器 FET 進(jìn)入三極管 （符合歐姆定律的） 工作區(qū) （參見圖 3）。既然充電器 FET RDS（ON） 近似為 50mΩ，那么在設(shè)定充電電流為 2A 時(shí)，F(xiàn)ET 將進(jìn)入符合歐姆定律歐姆的區(qū)，且當(dāng) VOUT 與 VIN 相差約100mV 以內(nèi)時(shí)，充電電流將開始下降。

?

　　電壓箝位電路

　　LTC4425 配備的電路可將超級電容器組中兩個(gè)超級電容器兩端的電壓限制到最高可允許電壓 VCLAMP。有兩個(gè)通過 SEL 引腳可選的 VCLAMP 預(yù)置電壓：2.45V 或 2.7V。就較低的 2.45V VCLAMP 電壓而言，SEL 引腳應(yīng)該設(shè)定為邏輯低電平，而對于較高的 2.7V VCLAMP 電壓，該引腳則應(yīng)設(shè)為邏輯高電平。類似地，如果頂端電容器兩端的電壓 （VTOP） 先達(dá)到 VCLAMP，那么 PMOS 并聯(lián)晶體管就接通，并開始從頂端的電容器向底端的電容器泄放電荷。

　　當(dāng)任一超級電容器兩端的電壓達(dá)到與 VCLAMP 相差 50mV 以內(nèi)時(shí)，互導(dǎo)放大器就開始線性地降低充電電流。到任一并聯(lián)器件接通時(shí)，充電電流降至設(shè)定值的 1/10，而且只要該并聯(lián)器件接通，就保持這個(gè)值不變。這是為了防止并聯(lián)器件被過大的熱量損壞?？刂撇⒙?lián)器件的比較器有 50mV 的遲滯，這意味著，當(dāng)任一電容器兩端的電壓降低 50mV 時(shí)，并聯(lián)器件斷開，并以滿充電電流恢復(fù)正常充電，除非受到另一個(gè)控制充電器 FET 柵極放大器的限制。如果兩個(gè)電容器都超過它們的最大可允許電壓 VCLAMP，那么主充電器 FET 完全關(guān)斷，而且兩個(gè)并聯(lián)器件都接通。兩個(gè)并聯(lián)器件實(shí)際上是電流反射鏡，保證分走比通過充電器 FET 的電流更大的電流。

　　漏電流平衡電路

　　LTC4425 還配備了一個(gè)內(nèi)部漏電流平衡放大器 （LBA），該放大器使中點(diǎn) （即 VMID 引腳） 電壓準(zhǔn)確地等于輸出電壓 VOUT 的一半。由于其受限的 1mA 供應(yīng)和吸收能力，它被設(shè)計(jì)成用來處理由漏電流引起的超級電容器的輕微失配，而不是用來糾正由缺陷引起的任何嚴(yán)重失配。只要有輸入電壓存在，平衡器就工作。有了該內(nèi)部平衡器，就無需外部平衡電阻器了。

　　表 2 比較了凌力爾特超級電容器充電器系列的器件。

　　結(jié)論

　　目前，超級電容器正用于一度由電池主導(dǎo)的應(yīng)用中。最初的應(yīng)用是小電流，不過技術(shù)已經(jīng)進(jìn)步，超級電容器現(xiàn)在已經(jīng)用于消費(fèi)類和非消費(fèi)類市場上多種中到大功率的應(yīng)用。超級電容器與電池相比有很多固有的優(yōu)點(diǎn)，如可提供較高的峰值功率、較長的周期壽命以及較小的外形尺寸。不過，采用超級電容器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師面臨很多問題，如需要容量平衡以及潛在的超級電容器過壓損壞。