超級(jí)電容充電器和電源穿越系統(tǒng)的理想二極管

超級(jí)電容器，具有高達(dá)100F電荷存儲(chǔ)的電容器，正在成為一種 在電力輸送重要性高于其重要性的應(yīng)用中替代電池 總儲(chǔ)能。超級(jí)電容器具有許多優(yōu)勢(shì) 電池使它們?cè)诙唐谛枰吖β蕰r(shí)成為卓越的解決方案， 例如在電動(dòng)穿越應(yīng)用中。這些優(yōu)點(diǎn)包括較低的有效 串聯(lián)電阻 （ESR） 和增強(qiáng)的耐用性，面對(duì)重復(fù)充電。

像電池一樣，超級(jí)電容器也有 一些專門的應(yīng)用程序需要 使用專用 IC 是可取的。

超級(jí)電容器技術(shù)現(xiàn)在可以 提供高達(dá) 100F 的電容器，但 這些的最大工作電壓 電容器為2.7V或更低。因?yàn)榇蠖鄶?shù) 系統(tǒng)需要更高的工作電壓 除此之外，許多超級(jí)電容器作為一對(duì)電容器提供 單個(gè)中心抽頭封裝。LTC4425 專為對(duì)兩個(gè)堆疊充電而設(shè)計(jì) 超級(jí)電容器并提供穩(wěn)壓 系統(tǒng)負(fù)載的輸出電壓。

LTC4425架構(gòu)

LTC4425 具有兩種模式 操作：正常和LDO。

正常模式

在正常模式下，LTC4425 可以 被認(rèn)為是具有電流的理想二極管 極限和超級(jí)電容器專用功能 （見圖1）。如果我們忽略一切 但理想的二極管控制器，MPSNS 和 MPSW，LTC4425 的行為類似于理想 二極管。每當(dāng) V 時(shí)，MPSW 都會(huì)打開外是 低于 V在超過15mV。

圖1.LTC4425 的框圖。

電流的一小部分 （1/1000） V外引腳外向于電阻器 連接到 PROG 引腳和結(jié)果 將電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。 當(dāng) PROG 引腳上的電壓達(dá)到 參考電壓，無額外電流 允許從 V 流出外針。

在正常模式下，調(diào)節(jié)功能 不受輸出電壓控制 獨(dú)自一人，但由V在– V外（見圖2）。 通過連接 FB 引腳轉(zhuǎn) V在.在正常模式下，只要 V在– V外大于0.75V，充電 電流為編程值的 1/10。 作為 V在– V外電壓從 0.75V至0.25V，充電電流增加 線性地與編程值在 V在– V外= 0.25V。對(duì)于 V在– V外電壓 小于0.25V，但大于15mV， V外電流為 1000/R進(jìn)度，并且可以 高達(dá)2A。但是，MPSW 設(shè)備具有 RDS（ON）約50mΩ， 所以當(dāng)V在– V外夠小了，這個(gè) 電阻可能會(huì)限制電流。為 V在– V外電壓小于15mV時(shí)， 理想二極管關(guān)斷，降低電流 出 V外到一個(gè)小漏電流。

圖2.正常模式下的超級(jí)電容器充電電流曲線旨在防止浪涌電流。

線性度測(cè)量模塊模式

在LDO模式下，調(diào)節(jié)功能不 由 V 控制在– V外，但通過反饋 從輸出電壓。LDO模式為： 通過連接輸出電壓進(jìn)行選擇 分頻器到 FB 引腳以設(shè)置最大值 輸出電壓。在LDO模式下， LTC4425 的行為類似于穩(wěn)壓器 提供編程電流 到負(fù)載并為超級(jí)電容器充電。 如果超級(jí)電容器位于 所需電壓，LTC4425 繼續(xù) 提供高達(dá) 編程的最大電流。

如果所需的超級(jí)電容器電壓為 接近 V在盡可能，然后將 FB 引腳。這意味著循環(huán)永遠(yuǎn)不會(huì) 達(dá)到穩(wěn)壓，但輸出電壓將跟蹤15mV以內(nèi)的輸入電壓或 我V（輸出）×·DS（ON），以較大者為準(zhǔn)。

LTC4425 可限制可用的電流 到 V外針。通常這個(gè)電流是 用于為超級(jí)電容器充電，但 也可以去裝載。在LDO模式下， 電流在兩個(gè)方面受到限制， PROG 引腳和熱限制。

PROG 基準(zhǔn)電壓，用于 LDO模式為1V，其分?jǐn)?shù)為 五外印象深刻的電流 連接到 PROG 引腳的電阻器 為 1/1000。所以電流限制是1000 / R進(jìn)度，并且可以高達(dá)2A。

如果想象給 100F 電容器充電， 即使在2A時(shí)，電壓也會(huì)以20mV/s的速度變化。 而且，在這個(gè)充電過程中，有 耗散明顯，通常為數(shù) 瓦。如果 V 的一部分外電流是 轉(zhuǎn)到系統(tǒng)加載，然后是 為超級(jí)電容器充電延長。這 LTC4425 具有線性熱調(diào)節(jié)功能 限制來自 V 的電流的環(huán)路外, 使得模具溫度保持 低于105°C。 這是一個(gè)線性電路 適用于在正常操作下使用 條件，不是保護(hù)電路 那只是為了防止損壞。

LTC4425 特性

電壓鉗

每個(gè)上都有電壓鉗 堆疊輸出超級(jí)電容器，來自 V外到 V.MID，以及從 V.MID接地。 這些電壓鉗的用途是 確保超級(jí)電容器不能 充電超過其額定電壓。 可以選擇每個(gè)堆疊超級(jí)電容器上的箝位電壓 通過 SEL 引腳為 2.45V 或 2.70V。

假設(shè)輸入電壓為6V， 并且FB引腳接地，因此 LTC4425 處于 LDO 模式并正在嘗試 將超級(jí)電容器充電至 輸入電壓。夾子將激活 每當(dāng)任一堆疊的超級(jí)電容器 超過箝位電壓。

為了將功耗保持在 檢查鉗位電路，LTC4425 自動(dòng)降低充電電流 到編程值的 1/10 每當(dāng)任一堆疊的超級(jí)電容器 接近箝位電壓。

泄漏平衡器

LTC4425 可檢測(cè) 通過比較堆疊超級(jí)電容器 V.MID到 V外.當(dāng) LTC4425 檢測(cè)到 不平衡，它吸收或從 五.MID用于平衡超級(jí)電容器的引腳。

LTC4425 漏電平衡器主要 旨在解釋自我的影響， 或系統(tǒng)泄漏，因此最大 灌電流或拉電流約為 1mA。然而，電壓的相互作用 夾具和泄漏平衡器將 最終糾正甚至相當(dāng)大的不平衡。 超級(jí)電容器可能成為 充電過程中不平衡，因?yàn)橐粋€(gè) 堆疊中的電容器更大或更小 比另一個(gè)。對(duì)于相同的充電電流， 電容越大越低 電壓比電容器小。所以， 較小的電容器可能會(huì)激活其電壓 在較大的電容器之前箝位 完成充電，使堆棧不平衡。

然后，泄漏平衡器將接合并 慢慢地使堆棧恢復(fù)平衡。

全氟辛烷磺酸輸出

LTC4425 監(jiān)視和報(bào)告 V 的條件在和 V外根據(jù) 模式。如果 PFI 引腳為 低于 1.2V 或 （V在– V外） > 250mV （英寸） 正常模式）或 VFB< 1.11V （輸入 LDO 模式），因此 PFO 可用于開關(guān) 超級(jí)電容器的負(fù)載，如果 有V的損失在（見圖3）。

這在負(fù)載電流 遠(yuǎn)高于最大值 LTC4425 可以提供的電流。全氟辛烷磺酸罐 僅用于在沒有 V 的情況下將負(fù)載切換到超級(jí)電容器在.

圖3.從鋰離子源為2節(jié)串聯(lián)超級(jí)電容器充電。全氟辛烷磺酸監(jiān)測(cè)儀V在這樣電源僅在 V在失敗。

請(qǐng)注意，PFO 監(jiān)視 輸入故障，或指示低電平 FB 引腳上的輸出電壓。如果 FB 引腳接地，即在 LDO模式為超級(jí)電容器充電 到 V在—那么PFO是永久性的 斷言低，掩蓋 V 上的任何故障在.

基于超級(jí)電容器 穿越系統(tǒng)

許多電子系統(tǒng)需要 短期備用電源系統(tǒng) 允許他們度過短暫的中斷 掌權(quán)。同樣， 有些系統(tǒng)需要時(shí)間來保存狀態(tài)， 或清空易失性存儲(chǔ)器或執(zhí)行 通電時(shí)的其他內(nèi)務(wù)處理任務(wù) 突然刪除。例如，硬 驅(qū)動(dòng)器可能需要停放頭部，所以 它們不會(huì)落在媒體表面上。 這是一個(gè)機(jī)電系統(tǒng) 需要 20ms–100ms 的連續(xù)時(shí)間 在完全關(guān)閉之前供電。

另一個(gè)例子涉及效果 大型電機(jī)組的電源 系統(tǒng)。如果大型電動(dòng)機(jī) 已開始，例如商業(yè)建筑 空調(diào)或電梯，電源 多條生產(chǎn)線的供應(yīng)可能會(huì)崩潰 周期。通常輸入電源存儲(chǔ) 僅夠一半的能量 一個(gè)循環(huán)和一個(gè)循環(huán)。供電的設(shè)備 通過輸入電源需要一種工作方式 通常直到電源恢復(fù)。

穿越應(yīng)用程序當(dāng)然可以是 使用備用電池實(shí)現(xiàn)，但在 很多情況下，它需要一個(gè)非常大的電池 滿足穿越功率的陣列 要求。雖然電池可以存儲(chǔ) 很多能量，他們不能提供太多 單位體積功率，因?yàn)樗鼈冿@著 源阻抗。電池也有相對(duì)的 壽命短，2~3年，及其護(hù)理 喂養(yǎng)需求很大。

另一方面，超級(jí)電容器， 非常適合短功率突發(fā)， 穿越應(yīng)用程序。他們的低 源阻抗允許它們供電 在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)提供顯著的功率，并且它們相當(dāng)可觀 比電池更堅(jiān)固。

穿越應(yīng)用程序設(shè)置

圖 4 顯示了完全的電源中斷 使用穿越系統(tǒng) LTC4425、LTC4416、LTC3539 和 LTC3606。圖 5 顯示了布局。 此設(shè)計(jì)可在 200mA電流，持續(xù)近8秒。

圖4.完整的基于超級(jí)電容器的電源穿越系統(tǒng)。

圖5.用于測(cè)試圖4所示電路的前后板布局。

LTC?3606 是一款微功率降壓型穩(wěn)壓器 產(chǎn)生3.3V。The LTC4416 提供雙理想二極管或功能 以確保在以下情況下的最大效率 從常規(guī)輸入切換到 超級(jí)電容器。LTC?3539 是一款微功率器件 帶輸出斷開的升壓穩(wěn)壓器。 該升壓穩(wěn)壓器的工作頻率低至 0.5V，可支持1.3A×負(fù)載 V外/V在在其輸出。超級(jí)電容器 是一款 CAP-XX HS206F、0.55F、5.5V 電容器。

測(cè)量的穿越應(yīng)用程序 結(jié)果和操作詳細(xì)信息

圖6顯示了如果 LTC3539升壓電路被禁用。跑 時(shí)間，從輸入斷電到輸出 穩(wěn)壓器電壓降至3V，為4.68s。 圖7顯示了如果 LTC3539升壓電路可工作。跑 時(shí)間，從輸入斷電到輸出 穩(wěn)壓器降至3V，為7.92s。

圖6.如果在圖4電路中禁用升壓穩(wěn)壓器，則穿越應(yīng)用可以支持0.67W負(fù)載約4.68s。

圖7.在圖4電路中啟用升壓穩(wěn)壓器后，穿越應(yīng)用可以支持0.67W負(fù)載約7.92s。

當(dāng) LTC3539 升壓型穩(wěn)壓器 被禁用，一旦輸入電源 跌落，基于 LTC4416 的理想二極管 切換輸入能量供應(yīng) LTC3539降壓穩(wěn)壓器至超級(jí)電容器。 在圖6中，兩端的電壓 超級(jí)電容（V南卡羅來納州） 由于 200mA 的恒定功率負(fù)載 3.3V 在降壓穩(wěn)壓器上 （V外).

當(dāng)輸入電壓向LTC3539 達(dá)到壓差 穩(wěn)壓器，輸出電壓可見 跟蹤輸入電壓。在 4.68 秒后 輸入功率移除，電壓上 超級(jí)電容達(dá)到3.0V外加壓差 電壓和 V外降至 3V 以下。這 降壓穩(wěn)壓器繼續(xù)跟蹤 超級(jí)電容電壓下降，直到達(dá)到2V， 然后降壓穩(wěn)壓器關(guān)閉。

在圖7中，超級(jí)電容兩端的電壓（V南卡羅來納州） 由于常數(shù)而線性減小 3.3V時(shí)200mA的電源負(fù)載 降壓穩(wěn)壓器。當(dāng) V南卡羅來納州達(dá)到3.4V， 升壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)點(diǎn)， 升壓穩(wěn)壓器開始開關(guān)。這 關(guān)斷理想二極管并斷開 來自超級(jí)電容器的降壓穩(wěn)壓器。 降壓穩(wěn)壓器的能量輸入 現(xiàn)在是升壓穩(wěn)壓器的輸出 3.4V. V南卡羅來納州保持在3.4V，但超級(jí)電容開始呈指數(shù)級(jí)放電，因?yàn)?作為升壓穩(wěn)壓器的輸入電壓 滴，它必須越來越高 電流以維持其輸出在 3.4V。

因?yàn)榻祲悍€(wěn)壓器的輸入 保持在 3.4V，其輸出保持 在監(jiān)管中。當(dāng)升壓穩(wěn)壓器 到達(dá)其輸入 UVLO 時(shí)關(guān)閉，其輸出立即崩潰。 由于它的輸入電壓現(xiàn)在已經(jīng)崩潰， 降壓穩(wěn)壓器關(guān)閉。

穿越中的能量清除 應(yīng)用

升壓輸出應(yīng)為什么電壓 設(shè)置為？顯然，操作是相同的，與 或未啟用升壓電路，直到 降壓穩(wěn)壓器的輸入壓差 已達(dá)到。設(shè)計(jì)中的一個(gè)目標(biāo) 是為了盡量減少 升壓穩(wěn)壓器用于電源 鏈條，因?yàn)槊吭黾右粋€(gè)規(guī)定 階躍會(huì)降低整體效率。這里 我們?cè)O(shè)置升壓穩(wěn)壓器輸出電壓 與降壓穩(wěn)壓器輸入一樣接近 壓差盡可能高，或3.4V。

升壓穩(wěn)壓器必須具有同步 輸出以最大限度地提高效率 一旦升壓調(diào)節(jié)器接合。這意味著一個(gè)具有“阻塞”功能的升壓穩(wěn)壓器 輸出。這反過來又需要 第二個(gè)理想二極管允許 為降壓穩(wěn)壓器供電的超級(jí)電容器 直到升壓調(diào)節(jié)器接合。 升壓穩(wěn)壓器必須工作到 盡可能低的電壓以確保 最大能量是 從超級(jí)電容器中清除。

如果超級(jí)電容器最初充電至 5V，那么超級(jí)電容器中的能量為：

輸出功率為 3.33V 0.2A = 0.67W，所以百分比 存儲(chǔ)在超級(jí)電容中的能量 僅降壓電路提取為：

儲(chǔ)存的能量百分比 在超級(jí)電容器中，提取時(shí) 升壓調(diào)節(jié)器使能后，是：

存儲(chǔ)在 回收的超級(jí)電容器增加 從45.1%增加到77%。這允許使用 更小、更便宜的超級(jí)電容器。

結(jié)論

所示的動(dòng)力穿越系統(tǒng) 這里使用0.55F超級(jí)帽來支撐 電源足夠長，適合微控制器 完成最后的喘息 內(nèi)務(wù)管理任務(wù)。延長給定超級(jí)電容器穿越時(shí)間的一種方法 是增加一個(gè)升壓穩(wěn)壓器 到系統(tǒng)，允許能量 清除。給定的運(yùn)行時(shí)間 超級(jí)電容器可以通過以下方式擴(kuò)展 如果使用能量清除，則為 >30%。這 如果超級(jí)電容器 工作電壓降至 確保高溫可靠性。

此外，輸出的形狀 電壓顯著提高 輸出穩(wěn)壓器的輸入電壓 現(xiàn)在呈正方形。這個(gè)結(jié)果 在穩(wěn)定的 3.3V 輸出電壓中，具有 尖銳截止，而不是斜坡電壓 隨著超級(jí)蓋的耗盡而下降。

審核編輯：郭婷