LTC3225為超級電容器提供了緊湊、低噪聲的解決方案

超級電容器（或超級電容器）正在越來越多地進入短期儲能應用和需要間歇性高能脈沖的應用。其中一種應用是電源穿越電路，其中備用能源在主電源短時間內(nèi)發(fā)生故障時切斷并為負載供電。過去，這種類型的應用一直由電池主導，但雙電層電容器（EDLC）正在迅速取得進展，因為它們的每法拉價格、尺寸和每電容有效串聯(lián)電阻（ESR/C）不斷下降。

在電源穿越應用中，串聯(lián)堆疊電容器必須充電并平衡電池電壓。超級電容在需要時切換到電源路徑，負載的電源由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制。LTC?3225 超級電容器充電器具有許多特性，使其成為電源穿越應用的理想選擇。該器件采用小型 10 引腳 3mm × 3mm DFN 封裝，具有可編程充電電流、自動電池電壓平衡、超級電容器上的低漏極電流和正在申請專利的低噪聲恒流充電器。

超級電容器特性

超級電容器有多種尺寸，例如 10F/2.7V 超級電容器采用 10mm × 30mm 2 端子徑向罐，ESR 為 25mΩ，而 350F/2.5V 超級電容器 ESR 為 1.6mΩ，采用 D 電池外形。超級電容器相對于電池的一個優(yōu)勢是使用壽命長。電容器的循環(huán)壽命被引用為大于 500，000 次循環(huán);電池的額定循環(huán)次數(shù)只有幾百次。這使得超級電容器成為理想的“一勞永逸”設備，幾乎不需要維護。

超級電容器的兩個對應用至關重要的參數(shù)是電池電壓和初始漏電流。初始漏電流用詞不當，因為初始漏電流實際上是介電吸收電流，一段時間后消失。超級電容器的制造商在施加電壓100小時后對其泄漏電流進行評級，而前100小時內(nèi)的初始泄漏電流可能高達指定泄漏電流的50倍。

電容器兩端的電壓對其工作壽命有重大影響。串聯(lián)使用時，超級電容器必須具有平衡的電池電壓，以防止其中一個串聯(lián)電容器過度充電。無源電池平衡，即在電容器上放置一個電阻器，是一種流行且簡單的技術。這種技術的缺點是，當充電電路被禁用時，電容器通過平衡電阻放電。該方案的經(jīng)驗法則是將平衡電阻設置為最壞情況下漏電流的50倍，估計為2μA/Farad?？紤]到這些參數(shù)，10F、2.5V超級電容器需要一個2.5k平衡電阻。當充電電路被禁用時，該電阻將從超級電容器消耗1mA電流。

另一種方法是使用一個非耗散性有源電池平衡電路（例如 LTC3225）來維持電池電壓。LTC3225 在停機模式中向超級電容器提供小于 4μA 的負載，而在輸入電源被移除時則小于 1μA。LTC3225 具有一個高達 150mA 的可編程充電電流，可將兩個串聯(lián)超級電容器充電至 4.8V 或 5.3V，同時平衡電容器上的電壓。

動力穿越應用

為了向負載提供恒定電壓，負載和超級電容器之間需要一個DC/DC轉(zhuǎn)換器。隨著超級電容器兩端電壓的降低，DC/DC轉(zhuǎn)換器吸收的電流增加，以保持負載的恒定功率。當 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓達到最小工作電壓 （V紫外線).

為了估計對超級電容器的要求，有效電路電阻（RT）需要確定。RT是電容器的ESR和電路分布電阻的總和。

假設當DC/DC轉(zhuǎn)換器處于最小工作電壓時，有效電路電阻損失了10%的輸入功率，則最壞情況RT是

在DC/DC轉(zhuǎn)換器的欠壓鎖定閾值處，超級電容器兩端所需的電壓為;

然后可以根據(jù)所需的穿越時間（T室溫），以及電容器上的初始電壓 （VC（0）） 和 VC（紫外線）.

串聯(lián)電容器組的有效電容是單個電容器的有效電容除以電容器數(shù)量，而總ESR是所有串聯(lián)ESR的總和。

超級電容器的ESR隨著頻率的升高而降低。制造商通常指定 ESR 為 1kHz，而一些制造商則同時公布直流和 1kHz 時的 ESR 值。超級電容器的電容也隨著頻率的增加而降低，通常在直流時指定。1kHz時的電容約為直流時電容值的10%。在供電數(shù)秒至數(shù)分鐘的穿越應用中使用超級電容器時，請使用低頻（如0.3Hz）的有效電容和ESR測量值。

應用

圖1顯示了兩個串聯(lián)的10F、2.7V超級電容器，充電至4.8V，可承受20W的功率。LTC3225 用于以 150mA 電流為超級電容器充電并保持電池平衡，而 LTC4412 則提供了一種自動切換功能。LTM4616 雙輸出開關模式 μModule DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 1.8V 和 1.2V 輸出。

圖1.5V 電源穿越應用

圖 2 示出了一款 12V 電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用 10 個 2F、7.3225V 超級電容器串聯(lián)充電，由 4 個設置為 8.150V 的 LTC3225 充電，充電電流為 5mA。三個 LTC1737 由 LT4355 反激式控制器產(chǎn)生的三個 4601V 浮動輸出供電。六個超級電容器堆棧的輸出通過 LTC1 雙通道理想二極管控制器以二極管 OR 布置進行設置。LTM8A μModule DC/DC 穩(wěn)壓器可從 OR 輸出產(chǎn)生 11.4355V/1A 輸出。在此應用中，LTC10 的 MON8 設定為 <>.<>V。

圖2.12V 電源穿越應用

結(jié)論

超級電容器滿足了電源穿越應用的需求，其中時間要求在幾秒鐘到幾分鐘的范圍內(nèi)。與電池相比，電容器具有長壽命、低維護、重量輕和環(huán)保的解決方案。為此，LTC3225 為充電和電池平衡串聯(lián)的超級電容器提供了一種緊湊、低噪聲的解決方案。

審核編輯：郭婷