超級(jí)電容器帶來了哪些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？

備用電源解決方案之前僅限于任務(wù)關(guān)鍵型設(shè)備，但現(xiàn)在工業(yè)、商業(yè)和消費(fèi)類最終產(chǎn)品中廣泛的電子應(yīng)用都需要備用電源。雖然有幾種選擇，但使用超級(jí)電容器可實(shí)現(xiàn)外形最緊湊、能量最密集的解決方案，作為市電中斷時(shí)的蓄能裝置。例如，當(dāng)市電中斷或更換電池時(shí)。

然而，超級(jí)電容器帶來了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)槊總€(gè)超級(jí)電容器最高只能提供 2.7 V 的電壓。這可能意味著向 5 V 電源軌提供穩(wěn)壓電源就需要多個(gè)超級(jí)電容器，且每個(gè)電容器都有相關(guān)的電池平衡和升壓或降壓轉(zhuǎn)換器。這就形成一個(gè)復(fù)雜而細(xì)微的電路，相對(duì)昂貴且需要更多的電路板空間。

本文將比較電池和超級(jí)電容器，解釋為什么后者為緊湊型低電壓電子應(yīng)用帶來了若干技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本文隨后解釋如何設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單而巧妙的解決方案，只用一個(gè)電容器結(jié)合一個(gè)可逆降壓/升壓轉(zhuǎn)換器為 5 V 電源軌供電。

電池與超級(jí)電容器

現(xiàn)代電子設(shè)備是否能提供令人滿意的用戶體驗(yàn)，不間斷電源已成一個(gè)關(guān)鍵因素。如果沒有恒定電源，電子產(chǎn)品不僅會(huì)停止工作，而且還可能丟失重要信息。例如，如果發(fā)生停電，連接到市電的個(gè)人電腦將失去保存在其易失性 RAM 中的數(shù)據(jù)。或者當(dāng)胰島素泵在更換電池時(shí)，可能會(huì)丟失易失性存儲(chǔ)器中重要的血糖讀數(shù)。

防止這種情況發(fā)生的一種方法是采用備用電池，首先用來蓄能，然后在市電故障時(shí)釋放電能。鋰離子 (Li-ion) 電池是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，其能量密度非常高，可以相對(duì)較緊湊的電池體積實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間提供備用電源。

但無論其基本化學(xué)成分如何，所有電池都有各自的顯著特征，在某些情況下可能會(huì)導(dǎo)致問題。例如，電池都相對(duì)較重，需要相對(duì)較長(zhǎng)充電時(shí)間（如果經(jīng)常停電，這可能就是問題），充電次數(shù)有限（會(huì)增加維護(hù)成本）以及所使用的化學(xué)品可能會(huì)危及安全和環(huán)境。

備用電源的另一種解決方案是采用超級(jí)電容器。超級(jí)電容器的學(xué)名為電雙層電容器 (EDLC)。這種器件由電化學(xué)性能穩(wěn)定的、具有正負(fù)極的對(duì)稱碳電極構(gòu)成。這些電極由絕緣離子滲透分離器隔開，這種分離器內(nèi)置于充滿有機(jī)鹽/電解質(zhì)溶劑的容器中。電解液旨在最大限度地提高離子導(dǎo)電性和電極潤(rùn)濕性。高表面積活性炭電極與極小的電荷分離相結(jié)合，使得超級(jí)電容器的電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電容器（圖 1）。

圖 1：超級(jí)電容器使用對(duì)稱的正負(fù)碳電極，并通過浸泡在電解液中的絕緣離子滲透分離器將電極隔開。大表面積電極和極小的電荷分離相結(jié)合導(dǎo)致了高電容。（圖片源：Maxwell Technologies）

電荷在電解液的可逆吸附作用下以靜電方式存儲(chǔ)到大表面積碳電極上。在電極/電解液界面的極化作用下發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生同名雙層。這種機(jī)制高度可逆，使得超級(jí)電容器能夠經(jīng)受數(shù)十萬次充放電，盡管隨著時(shí)間的推移，電容值會(huì)出現(xiàn)一些減少。

由于依靠靜電機(jī)制來儲(chǔ)存電能，超級(jí)電容器的電氣性能比電池更可預(yù)測(cè)，而且所采用的結(jié)構(gòu)材料使其更可靠，不易受溫度變化的影響。在安全方面，超級(jí)電容器中的揮發(fā)性材料比電池少，并且可以完全放電，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)輸。

超級(jí)電容器優(yōu)于二次電池的另一個(gè)方面是充電速度更快，且不會(huì)發(fā)生過度充電。因此，在首次故障后不久電源再次消失時(shí)，即可投入備用電源。超級(jí)電容器還擁有更多的充電周期，從而降低了維護(hù)成本。

此外，超級(jí)電容器具有比電池高得多的功率密度（用于衡量單位時(shí)間內(nèi)可以存儲(chǔ)或輸送多少功率）。這不僅確?？焖俪潆?，而且還允許在需要時(shí)進(jìn)行大電流猝發(fā)，使得超級(jí)電容器能在更多的應(yīng)用中用作備用電源（圖 2）。此外，超級(jí)電容器的有效串聯(lián)電阻 (ESR) 比電池低得多。這允許超級(jí)電容器能夠更有效地提供電源，而無過熱危險(xiǎn)。超級(jí)電容器的功率轉(zhuǎn)換效率通常大于 98%。

圖 2：可充電電池可以在適當(dāng)?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流下長(zhǎng)期供電，但需要很長(zhǎng)時(shí)間來充電。相反，超級(jí)電容器以大電流快速放電，也可快速充電。（圖片源：Maxwell Technologies）

與可充電電池相比，超級(jí)電容器的主要缺點(diǎn)是其能量密度相對(duì)較低（用于衡量每單位體積內(nèi)存儲(chǔ)的電能）。當(dāng)今鋰離子電池技術(shù)的蓄能是同體積超級(jí)電容器的 20 倍。隨著采用新材料不斷地對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行改進(jìn)，這一差距正在縮小，但這可能在未來許多年內(nèi)仍然很顯著。超級(jí)電容器的另一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是其成本高于鋰離子電池。

超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

如果某種電子產(chǎn)品要依靠超級(jí)電容器作為備用電源，那么設(shè)計(jì)者必須了解如何選擇最佳組件，以實(shí)現(xiàn)可靠的蓄能、輸送并延長(zhǎng)使用壽命。

在數(shù)據(jù)表中核實(shí)溫度對(duì)電容和電阻的影響，這是首要核實(shí)事項(xiàng)之一。良好的設(shè)計(jì)做法是，選擇一個(gè)能在終端產(chǎn)品的預(yù)期工作溫度范圍內(nèi)變化很小的器件，且在需要備用電源時(shí)，能夠提供穩(wěn)定的電壓并有效地輸送電能。

超級(jí)電容器的壽命主要由工作電壓和溫度的綜合影響來決定（圖 3）。超級(jí)電容器很少發(fā)生災(zāi)難性故障。相反，超級(jí)電容器的電容和內(nèi)阻會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化并逐漸降低性能，直到該元件不能夠滿足最終產(chǎn)品的規(guī)范要求。性能下降通常在最終產(chǎn)品壽命的開始階段比較大，并隨著最終產(chǎn)品的老化而逐漸減少。

圖 3：較高溫度和所施加的電壓會(huì)縮短超級(jí)電容器的壽命。（圖片來源：Elcap，CC0，通過 Wikimedia Commons，由作者修改）

當(dāng)用作備用電源時(shí)，超級(jí)電容器將長(zhǎng)期保持在工作電壓下，只會(huì)偶爾需要釋放其儲(chǔ)存的電能。這最終會(huì)影響性能。數(shù)據(jù)表會(huì)給出在典型工作電壓和不同溫度下，電容隨時(shí)間的下降情況。例如，一個(gè)超級(jí)電容器在 25?C 溫度下在 88,000 小時(shí)（10 年）內(nèi)保持 2.5 V 的電壓，其電容可能減少 15%，內(nèi)阻增加 40%。在為使用壽命較長(zhǎng)的最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)備用電源時(shí)，應(yīng)考慮這種性能下降。

電容器的時(shí)間常數(shù)是指電容器達(dá)到滿充的 63.2% 或放電至滿充的 36.8% 時(shí)所需的時(shí)間。超級(jí)電容器的時(shí)間常數(shù)約為 1 秒，這比電解電容短得多。由于這個(gè)時(shí)間常數(shù)很短，設(shè)計(jì)者應(yīng)確保備用電源超級(jí)電容器不會(huì)受到連續(xù)紋波電流的影響，否則會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。

超級(jí)電容器可以在 0 V 和其最大額定容量之間工作。雖然在最寬的電壓范圍內(nèi)工作時(shí)，可以有效利用超級(jí)電容器的有效能量和存儲(chǔ)的電能，但大多數(shù)電子元件都有最低電壓閾值。這種最低電壓要求限制了可從電容器中獲取的電能。

例如，儲(chǔ)存在電容器中的能量為 E = ?CV2。從這個(gè)關(guān)系中可以計(jì)算出，如果系統(tǒng)在電容器額定電壓的一半下運(yùn)行（例如從 2.7 V 到 1.35 V），可以獲得大約 75% 的有效電能。

使用多個(gè)超級(jí)電容器時(shí)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

雖然超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)使其適合為廣泛的電子產(chǎn)品提供備用電源，但設(shè)計(jì)者必須警惕由此帶來的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。對(duì)于沒有經(jīng)驗(yàn)的工程師來說，實(shí)現(xiàn)備用電源電路可能是一項(xiàng)重要的工作。關(guān)鍵復(fù)雜性在于，商用超級(jí)電容器的額定電壓約為 2.7 V，因此要向典型的 5 V 電源軌供電時(shí)，必須將兩個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)（圖 4）。

圖 4：商用超級(jí)電容器的額定電壓約為 2.7 V，因此要向典型的 5 V 電源軌供電時(shí)，必須將兩個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)。（圖片源：Maxim Integrated）

雖然這個(gè)工作解決方案令人滿意，但由于需要進(jìn)行主動(dòng)或被動(dòng)式電池平衡，因此會(huì)增大成本和復(fù)雜性。由于電容容差、不同的泄漏電流和不同的 ESR，兩個(gè)或更多名義上相同且滿充的電容器電壓可能不同。這種電壓不平衡會(huì)導(dǎo)致備用電路中的一個(gè)超級(jí)電容器提供的電壓高于另外一個(gè)。隨著溫度的升高和/或超級(jí)電容器的老化，這種電壓不平衡會(huì)增加，會(huì)使一個(gè)超級(jí)電容器的電壓超過該設(shè)備的額定電壓閾值并影響運(yùn)行壽命。

對(duì)于低占空比應(yīng)用來說，通常是在每節(jié)電池上并聯(lián)一個(gè)旁路電阻其來實(shí)現(xiàn)單節(jié)電池平衡。選擇旁路電容器的電阻值時(shí)，應(yīng)使得任何電流都會(huì)高于超級(jí)電容器的泄漏電流。這種技術(shù)有效地確保了超級(jí)電容器之間的等效并聯(lián)電阻的任何變化都可以忽略不計(jì)。例如，如果備用電路中超級(jí)電容器的平均泄漏電流為 10 μA，一個(gè) 1% 電阻器將允許 100 μA 的旁路電流，將平均泄漏電流提高到 110 μA。這樣，該電阻器能夠有效地將超級(jí)電容器之間的泄漏電流變化從百分之幾十降低到只有百分之幾。

在所有并聯(lián)電阻器匹配良好的情況下，任何具有較高電壓的超級(jí)電容器將通過其并聯(lián)電阻，以高于較低電壓超級(jí)電容器的速度放電。這使得總電壓均勻地分配到全部串聯(lián)的超級(jí)電容器上。對(duì)于高負(fù)載應(yīng)用，需要進(jìn)行更復(fù)雜的超級(jí)電容器平衡。

使用單個(gè)超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn) 5 V 電源

如果只采用一個(gè)超級(jí)電容器而不是兩個(gè)或多個(gè)，那么備用電源電路可能不會(huì)那么復(fù)雜，所需空間也更少。此類布局無需對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行平衡。然而，單個(gè)超級(jí)電容器的 2.7 V 輸出需要通過升壓穩(wěn)壓器來提高，從而形成足夠的電壓來克服二極管壓降，為系統(tǒng)提供 5 V 電壓。超級(jí)電容器通過充電裝置充電，需要時(shí)可通過升壓轉(zhuǎn)換器放電。二極管允許主電源或超級(jí)電容器為系統(tǒng)提供電源（圖 5）。

圖 5：在備用電源電路中使用單個(gè)超級(jí)電容器無需進(jìn)行電池平衡，但需要通過升壓穩(wěn)壓器來提升超級(jí)電容器的輸出電壓。（圖片源：Maxim Integrated）

更巧妙的解決方案是使用單個(gè)電容器，并輔以專門的電壓轉(zhuǎn)換器，如 Maxim Integrated 的 MAX38888 或 MAX38889 可逆降壓升壓穩(wěn)壓器。前者提供 2.5 V 至 5 V 和高達(dá) 2.5 A 的輸出，而后者提供 2.5 V 至 5.5、3A 輸出（圖 6）。

圖 6：當(dāng)用于超級(jí)電容器電源備用電路時(shí)，MAX38889（或 MAX38888）可逆穩(wěn)壓器無需單獨(dú)的充電器、升壓器件及二極管。（圖片源：Maxim Integrated）

MAX38889 是一款靈活的儲(chǔ)能電容器或電容器組備用穩(wěn)壓器，可在超級(jí)電容器和系統(tǒng)電源軌之間有效地傳輸電能。當(dāng)市電存在且其電壓高于最低閾值系統(tǒng)的電源電壓時(shí)，穩(wěn)壓器在充電模式下工作，并以最大 3 A 峰值電流、1.5 A 平均電感電流為超級(jí)電容器充電。超級(jí)電容器在作為備用電源運(yùn)行前需要達(dá)到滿充狀態(tài)。超級(jí)電容器在充電后，電路僅消耗 4 μA 電流，同時(shí)保持超級(jí)電容器處于就緒狀態(tài)。

當(dāng)移除主電源時(shí)，穩(wěn)壓器會(huì)在設(shè)定的最高可達(dá) 3 A 的電感峰值電流下，將超級(jí)電容器電壓提升到所需的系統(tǒng)電壓，以防止系統(tǒng)下降到設(shè)定的系統(tǒng)備用工作電壓以下?？赡娣€(wěn)壓器可以保持運(yùn)行，直至超級(jí)電容器電源電壓僅為 0.5 V，從而最大限度地利用儲(chǔ)存的電能。

備用時(shí)間的長(zhǎng)短取決于超級(jí)電容器的電能儲(chǔ)備和系統(tǒng)功耗。Maxim Integrated 產(chǎn)品的特點(diǎn)是可以通過單個(gè) 2.7 V 超級(jí)電容器獲得最大的備用電源，同時(shí)由于不需要單獨(dú)的充電器、升壓裝置以及二極管，因此減少了電路的元器件的數(shù)量。

結(jié)語

在如那些需要頻繁更換電池的具體應(yīng)用中，超級(jí)電容器相比二次電池具有若干優(yōu)勢(shì)，可用作備用電源。與可充電電池相比，超級(jí)電容器充電速度更快，可頻繁重復(fù)使用且功率密度更高。然而，在尋求支持典型的 5 V 電源時(shí)，其最大 2.7 V 輸出帶來了一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

如圖所示，可逆降壓/升壓穩(wěn)壓器提供了一種巧妙的解決方案，它允許單個(gè)超級(jí)電容器支持 5 V 線路，同時(shí)最大限度地減少所需的空間和組件的數(shù)量。