具有輸入電流限制功能的扁平超級電容器備用電源

超級電容器越來越多地用作備用電源，這在很大程度上是由于它們不斷提高的體積能量容量和堅固性。大輸出電容會使輸入源的負載能力緊張，尤其是當(dāng)該源受到協(xié)議（USB或PCMCIA）或高源電阻的限制時。輸入源限制會使設(shè)計復(fù)雜化。LTC3128 通過向一個完整的超級電容器充電器添加一個可編程的準(zhǔn)確輸入電流限值來簡化電源備份。圖1顯示，只需幾個元件即可產(chǎn)生具有3.0A輸入電流限值的超級電容充電器。

圖1.具有輸入電流限制的完整超級電容器充電電路。

LTC?3128 是一款降壓-升壓型 DC/DC 超級電容器充電器，具有可編程的準(zhǔn)確輸入電流限值 （高達 3A） 和主動平衡功能，采用 4mm × 5mm × 0.75mm QFN 或 24 引腳 TSSOP 封裝。1.2MHz 開關(guān)頻率以及低電阻、低柵極電荷集成開關(guān)為大輸出電容器充電提供了一種高效、緊湊和扁平的解決方案?？删幊梯斎腚娏飨拗档?a target="_blank">高精度 （±2%） 允許設(shè)計人員將最大電流消耗限制在略低于輸入源的能力。

電容器電壓監(jiān)控和保護與集成的有源電荷平衡器相結(jié)合，可防止不匹配的電容器過壓，并使漏電流不匹配的電容器保持平衡。這使得 LTC3128 非常適合于備份或脈沖負載應(yīng)用。超級電容器由于其使用壽命長、循環(huán)能力大（長達 10 年和 500，000 次循環(huán)）和相對簡單的充電曲線，是備用解決方案的理想選擇。

超級電容器充電時間和保持時間

在設(shè)計備份系統(tǒng)時，兩個最重要的標(biāo)準(zhǔn)是充電時間和保持時間。充電時間確定系統(tǒng)在承受電源故障之前需要運行的最短時間，而保持時間確定系統(tǒng)可以從其備用電源保持運行多長時間。

充電時間由編程輸入電流限制、編程輸出電壓、轉(zhuǎn)換器效率和輸出電容的組合決定。圖2顯示了1F輸出電容在3.0A編程輸入電流下的充電時間。該曲線考慮了V在/ 5外和轉(zhuǎn)換器效率。如果輸出電容大于或小于1F，則充電時間與輸出電容成比例。

圖2.LTC3128 充電時間。

在充電結(jié)束時，LTC3128 回撥輸入電流以對輸出電容器堆棧上的充電進行上充。這樣做是為了防止由于輸出電容的ESR而導(dǎo)致的振動。圖3顯示了電容器接近完全充電時回撥的充電電流示例。電流通常在編程輸出電壓的95%回撥，這是用于充電時間計算的電壓。

圖3.輸入電流充電曲線。

圖1電路以3.0A和A V的編程輸入電流為100F至4.2V充電在3.3V。圖2顯示，將1.0F電容從0V充電至4.0V （4.0V ≈ 0.95 ? 4.2V）需要1.3秒。由于本例中的電容器大100倍，因此將100F電容器從0V充電至4.0V大約需要130秒。

為了確定可以為系統(tǒng)提供多長時間的備用電源，需要確定輸出上的工作電壓范圍。對于此應(yīng)用，工作輸出電壓為4.2V至1.0V。100F電容器上存儲的能量可以確定為：

其中 W 是以焦耳為單位完成的功，C外是總輸出電容，V初是 C 上的起始電壓外和 V最后是最小電壓C外可以跑到。

如果次級升壓轉(zhuǎn)換器連接到 V外，它充當(dāng)超級電容器的恒定功率消耗。圖4顯示了由V供電的次級升壓轉(zhuǎn)換器示例外的 LTC3128。LTC3122 的產(chǎn)品手冊顯示，對于一個具有 100mA 負載的 12V 輸出，一個 1V 至 4.2V 輸入范圍內(nèi)的平均轉(zhuǎn)換器效率約為 80%，從而在保持電容器上產(chǎn)生一個 1.5W 的恒定功率負載。保持時間可由以下因素確定：

其中 t備份是系統(tǒng)的保持時間，W數(shù)據(jù)處理是輸出電容上可用存儲的能量，P負荷是次級轉(zhuǎn)換器的功耗。

圖4.LTC3122 升壓型轉(zhuǎn)換器由 LTC3128 供電。

平衡超級電容器

使用超級電容器實現(xiàn)更高的輸出電壓需要將兩個或多個電池串聯(lián)在一起，因為每個電容器的最大電壓通常指定在2.3V和2.7V之間，具體取決于電容器的制造商和類型。電容器的壽命取決于電容器兩端的電壓。為了延長電容器的使用壽命，電容器上的電壓應(yīng)調(diào)節(jié)在額定最大電壓以下。電容器供應(yīng)商通常指定如何降低其超級電容器上的電壓以延長使用壽命。

LTC3128 集成了一個可編程最大電容器電壓比較器和一個高效的有源充電平衡器。最大電容電壓比較器查看每個電容兩端的電壓，并確保充電時不超過編程電壓。如果任一電容器上達到最大編程電容器電壓，則 LTC3128 將停止充電以平衡電池，然后恢復(fù)充電。

有源充電平衡器使用 LTC3128 的電感器有效地將電荷從一個電容器移動到另一個電容器以平衡它們，從而使電容器在其兩端保持相同的電壓。這一點很重要，因為在保持事件期間，如果電容器足夠偏離平衡，其中一個電池的極性可能會反轉(zhuǎn)，從而損壞電容器。僅當(dāng)其中一個電池超出其編程的最大電容器電壓時，或者輸出電壓處于穩(wěn)壓狀態(tài)且電容器失衡但未違反最大電壓時，LTC3128 才會平衡電池。

主動電荷平衡消除了無源平衡的高靜態(tài)電流和連續(xù)功耗。圖 5 示出了 LTC3128 配置了 100F 的總輸出電容、一個 4.2V 的編程輸出電壓和一個 2.7V 的最大電容器電壓。

圖5.LTC3128 具有充電平衡器和最大電容器電壓保護功能。

動力穿越應(yīng)用

在備份系統(tǒng)中，在開始操作之前等待存儲電容器充電的能力并不總是一種選擇。電源穿越應(yīng)用提供了一種直接從輸入電源為次級轉(zhuǎn)換器供電，同時為超級電容器充電的方法。LTC3128 允許次級轉(zhuǎn)換器通過 LTC3128 內(nèi)部的一個電流檢測電阻器拉動其電流。這允許次級轉(zhuǎn)換器從電源吸收所需的電流 （高達 4A），并且 LTC3128 將使用編程的輸入電流（減去從次級轉(zhuǎn)換器汲取的電流）為輸出電容器充電。只要次級轉(zhuǎn)換器吸收的電流永遠不會超過編程輸入電流，LTC3128 就會將從輸入電源消耗的總電流限制為編程值，同時用剩余的可用電流為備用電容器充電。

為了延長備份時間，LTC3128 從 V 吸收的電流小于 1μA外停機模式時，或輸入 UVLO 時小于 2μA。圖 6 示出了一款使用 LTC3128 和 LTC3122 的電源穿越應(yīng)用。

數(shù)字。采用 LTC3128 和 LTC3122 升壓型轉(zhuǎn)換器的電源穿越應(yīng)用。

結(jié)論

LTC?3128 3A 降壓-升壓型 DC/DC 超級電容器充電器是一款簡化型解決方案，用于在高可靠性、長壽命應(yīng)用中高效充電和保護超級電容器。它具有精度為 ±2% 的可編程輸入電流限值、可編程最大電容器電壓比較器和有源電荷平衡功能。

審核編輯：郭婷