MAX38886/8/9串聯(lián)超級(jí)電容的電壓平衡技術(shù)

對(duì)于超級(jí)電容器需要充電至2.5V或2.7V以上的應(yīng)用，工程師被迫串聯(lián)多個(gè)超級(jí)電容器，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)超級(jí)電容器電壓額定為2.7V，并且成本較低。本應(yīng)用筆記綜述了MAX38886/MAX38888/MAX38889備份穩(wěn)壓器串聯(lián)超級(jí)電容連接的電壓平衡技術(shù)。

介紹

超級(jí)電容器在儲(chǔ)能應(yīng)用中的使用正在迅速增加，例如手持工業(yè)設(shè)備、帶有可拆卸電池的便攜式設(shè)備、工業(yè)傳感器和執(zhí)行器等。當(dāng)此類(lèi)應(yīng)用需要比超級(jí)電容器上正常2.7V更高的電壓時(shí)，可以選擇串聯(lián)多個(gè)超級(jí)電容器。但由于電容容差、不同的漏電流和ESR，每個(gè)電容器兩端的電壓分布不均。這導(dǎo)致超級(jí)電容器之間的電壓不平衡，因?yàn)橐粋€(gè)超級(jí)電容器電壓將比另一個(gè)超級(jí)電容器具有更大的電壓。隨著超級(jí)電容器的溫度和年齡的增加，這種電壓不平衡變得最嚴(yán)重，一個(gè)超級(jí)電容器兩端的電壓可能會(huì)增加到超過(guò)額定電壓。保持每個(gè)超級(jí)電容器的電壓平衡以確保較長(zhǎng)的使用壽命非常重要。

MAX38886/MAX38888/MAX38889 4A/2A可逆降壓-升壓穩(wěn)壓器，用于備用電源應(yīng)用

MAX38886/MAX38888/MAX38889為存儲(chǔ)電容或電容組備份穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)用于在存儲(chǔ)元件和系統(tǒng)電源軌之間高效傳輸電源，采用相同電感進(jìn)行可逆降壓和升壓操作。 當(dāng)主電源存在且高于最小系統(tǒng)電源電壓時(shí)，穩(wěn)壓器以降壓模式工作，并以編程的峰值電感電流為存儲(chǔ)元件充電。當(dāng)主電源被移除時(shí)，穩(wěn)壓器以升壓模式工作，防止系統(tǒng)降至最小工作電壓以下，從而以編程的峰值電感電流對(duì)存儲(chǔ)元件放電。

對(duì)于這項(xiàng)研究，我們正在考慮以下測(cè)試用例。

正常工作期間系統(tǒng)最大電壓，V.SYS= 5V.

備用操作時(shí)系統(tǒng)最小電壓，VSYS_MIN= 4.75V。

超級(jí)電容器充電操作時(shí)的最大電壓，VSC_MAX= 4.5V。

MAX38886/MAX38888/MAX38889超級(jí)電容器串聯(lián)

對(duì)于此應(yīng)用，超級(jí)電容器必須充電至4.5V，在備份期間，當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)電壓不存在時(shí)，超級(jí)電容器電壓被升壓并調(diào)節(jié)至4.75V。這種情況的應(yīng)用電路如圖1所示。

圖1.MAX38888的應(yīng)用電路

在圖1應(yīng)用電路中，超級(jí)電容器的額定電壓為2.7V，這是超級(jí)電容器的標(biāo)準(zhǔn)額定電壓。因此，我們串聯(lián)使用兩個(gè)11F超級(jí)電容器來(lái)提高額定電壓。一旦充電模式啟動(dòng)并且超級(jí)電容器充電至4.5V，則測(cè)量每個(gè)電容器兩端的電壓，如表1所示。

表1顯示，頂部和底部超級(jí)電容器之間的電壓差為~97mV，該讀數(shù)是在+25°C環(huán)境溫度下獲得的。漏電流、電容和ESR隨溫度和年齡而變化。例如，本應(yīng)用電路中使用的超級(jí)電容器在+25°C環(huán)境溫度下具有6μA的漏電流，在+65°C溫度下漏電流增加到~300%。超級(jí)電容器參數(shù)的這些變化有時(shí)可能導(dǎo)致電壓不平衡的增加，并且一個(gè)電容器也可能看到大于額定電壓的電壓。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這也可能會(huì)損壞超級(jí)電容器或迅速降低超級(jí)電容器的使用壽命。

有幾種方法可以通過(guò)添加額外的元件來(lái)保持每個(gè)電容器上的電壓平衡。以下是一些有助于保持超級(jí)電容器兩端電壓平衡的方法。

電壓平衡方法

使用平衡電阻/無(wú)源方法進(jìn)行電壓平衡。

使用運(yùn)算放大器電路進(jìn)行電壓平衡。

使用 SAB 自動(dòng)平衡 MOSFET 陣列/有源方法進(jìn)行電壓平衡。

1. 平衡電阻的電壓平衡/無(wú)源法

平衡超級(jí)電容器兩端電壓的簡(jiǎn)單且最具成本效益的方法是在每個(gè)超級(jí)電容器上連接相同值的電阻器。由于電阻永久連接在超級(jí)電容器上，電阻中的功耗將是連續(xù)的。超級(jí)電容器連接兩端的平衡電阻如圖2所示。

圖2.使用平衡電阻進(jìn)行電壓平衡。

當(dāng)100k？每個(gè)超級(jí)電容器兩端使用電阻，每個(gè)超級(jí)電容器兩端的電壓測(cè)量如表2所示。

使用這種方法有一些缺點(diǎn)。必須選擇電阻值，使其提供顯著的電流消耗，以實(shí)現(xiàn)可接受的電壓平衡。同時(shí)，電阻值越小，超級(jí)電容器的功耗就越大。隨著超級(jí)電容器溫度和年齡的增加，漏電流也會(huì)增加，這使得電路隨著時(shí)間的推移越來(lái)越無(wú)效。如果所選電阻值非常高，則需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)平衡超級(jí)電容器電壓。

2. 使用運(yùn)算放大器電路進(jìn)行電壓平衡

上述使用平衡電阻的附加電路具有連續(xù)功耗和損耗。為了降低功耗并保持電壓平衡，可以使用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)平衡電路。即使將高電阻值用作梯形網(wǎng)絡(luò)，該解決方案也可以提供更快的電壓平衡。

為了降低附加電路的功率損耗，選擇功耗低得多的運(yùn)算放大器，如MAX4470，它需要至少750nA的超低電源電流。運(yùn)算放大器的工作電壓應(yīng)高于最大超級(jí)電容電壓?？赡苄枰粋€(gè)阻尼電阻以避免異常振蕩。

圖3.使用運(yùn)算放大器電路進(jìn)行電壓平衡。

當(dāng)超級(jí)電容器兩端的電壓不平衡時(shí)，圖3中的平衡電路將處于活動(dòng)狀態(tài)。一旦每個(gè)超級(jí)電容器兩端的電壓平衡，該電路消耗的功率就會(huì)更少。因此，該電路是一種高能效的方法。我們使用的是 2 x 2.2M？超級(jí)電容器兩端的電阻接地和IC消耗的電源電流要小得多。總功耗明顯低于早期的無(wú)源方法。

使用運(yùn)算放大器方法測(cè)量每個(gè)電容器兩端的電壓如表3所示。

圖4中的波形顯示了超級(jí)電容充電和運(yùn)算放大器電路用于電壓平衡時(shí)的啟動(dòng)行為。波形顯示 V.SYS（黃色），VCAP_TOTAL（藍(lán)色），VCAP_TOP（橙色），VCAP_BOTTOM（粉紅色）。

圖4.使用運(yùn)算放大器平衡電路的超級(jí)電容器充電期間的啟動(dòng)波形。

3. 基于IC的專(zhuān)用平衡電路

很少有專(zhuān)用的基于IC的超級(jí)電容器自動(dòng)平衡MOSFET陣列可以用作超級(jí)電容器的有源平衡電路。這些 MOSFET 陣列提供堆疊串聯(lián)超級(jí)電容器的自平衡，同時(shí)耗散接近零的漏電流，幾乎消除了額外的功耗。串聯(lián)的堆棧受到持續(xù)監(jiān)控，并自動(dòng)控制其電壓和泄漏電流的平衡。

這是一種特殊類(lèi)型的 MOSFET，具有非常嚴(yán)格的柵極閾值電壓規(guī)格。設(shè)置的超級(jí)電容器電壓應(yīng)為閾值電壓的兩倍。每個(gè)電容器將充電至柵極閾值電壓。但這將是一種昂貴的電壓平衡方法，因?yàn)檫@些專(zhuān)用IC的成本更高。

無(wú)源、有源電壓平衡方法之間的比較

表4顯示了所討論的每種電壓平衡技術(shù)的總體比較。

結(jié)論

本應(yīng)用筆記討論了為什么串聯(lián)超級(jí)電容器連接需要電壓平衡，并回顧了串聯(lián)超級(jí)電容器連接的不同電壓平衡技術(shù)。比較了每種技術(shù)的性能。

審核編輯：郭婷