超級電容器充電、備份和平衡變得容易了

凌力爾特公司

電源產(chǎn)品部科學(xué)家 John Bazinet

電源產(chǎn)品部高級產(chǎn)品市場工程師 Steve Knoth

電源產(chǎn)品部波士頓設(shè)計(jì)中心總監(jiān) Sam Nork

1 背景信息

隨著超級電容器(SCAP)的生產(chǎn)成本持續(xù)下降，這類電容器在傳統(tǒng)電容器和充電器之間于市場上開辟了一個新路徑。盡管超級電容器需要某種程度的“護(hù)理和喂養(yǎng)”，但是在需要大電流/短持續(xù)時間備份電源的數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用中，這類電容器正在取代電池。此外，這類電容器也正在進(jìn)入需要大電流突發(fā)或短時間電池備份的各種高峰值功率及便攜式應(yīng)用中。與電池相比，超級電容器外形尺寸更小，提供峰值功率更高的脈沖，在更寬的工作溫度范圍內(nèi)具備更長的充電周期壽命。與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比，超級電容器在相似的外形尺寸和重量情況下可提供更高的能量密度和更大的容量。此外，通過降低電容器的“Top-off”電壓并避免高溫(＞50℃)，超級電容器的壽命得到了最大限度地延長。超級電容器與電容器及電池的比較如表1所示。

2 超級電容器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

超級電容器有很多優(yōu)勢，然而，當(dāng)為串聯(lián)的能量存儲器件充電時，最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可能會面臨諸如容量平衡、充電時電池過壓損壞、吸取過大電流以及在空間關(guān)鍵時的大解決方案占板面積等問題。

串聯(lián)連接電容器的容量平衡可確保每節(jié)電池上的電壓近似相等。超級電容器如果容量不平衡，可能導(dǎo)致過壓損壞。每節(jié)電池有一個平衡電阻器的外部電路是一種解決方案。平衡電阻器的值將取決于超級電容器的工作溫度和充電/放電曲線。為了限制超級電容器能量存儲平衡電阻器引起的電流泄漏之影響，設(shè)計(jì)師還可以使用一種電流非常低的主動平衡電路。另一種容量失配原因是泄漏電流不同。電容器的泄漏電流開始時非常高，然后隨時間變化衰減到較低的值。不過如果各節(jié)串聯(lián)電池的泄漏電流失配，那么這些電池再充電時也許會過壓，除非設(shè)計(jì)師用平衡電阻器應(yīng)對泄漏電流。但是，平衡電阻器增加了不想要的組件和負(fù)載電流，加重了應(yīng)用電路的負(fù)擔(dān)。

3 超級電容器充電器IC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

超級電容器充電項(xiàng)目一開始，設(shè)計(jì)師就必須考慮一些比較難以解決的問題。超級電容器充電電路需要提供：

(1)高效率和大的充電電流。高效率、大電流降壓-升壓型超級電容器充電器/平衡器包括充分利用超級電容器的優(yōu)勢所需之所有功能。分立式解決方案盡管可以實(shí)現(xiàn)，但是復(fù)雜、較大、效率較低而且準(zhǔn)確度相對低。

(2)高準(zhǔn)確度和負(fù)載均分能力。具±2%準(zhǔn)確度的輸入電流限制和輸入負(fù)載均分使多個負(fù)載能夠以最小的降額/裕度均分同一電源的全部功能。這是采用分立式解決方案不能實(shí)現(xiàn)的。

表1 超級電容器與電容器及電池的比較

(3)主動平衡。大多數(shù)超級電容器系統(tǒng)都運(yùn)用有損耗(電阻器)平衡方法。主動平衡在電容器之間高效地運(yùn)送電荷，消除了功率損耗和采用損耗方法所需的后續(xù)再充電周期。

4 針對超級電容器備份系統(tǒng)的最新解決方案

解決上述問題的降壓-升壓型IC超級電容器充電解決方案需要具備以下所有屬性：

(1)靈活性——必須在升壓模式或降壓模式高效地工作；

(2)能夠以可編程的最高電容器電壓進(jìn)行主動充電平衡；

(3)提供大的充電電流；

(4)具備準(zhǔn)確的可編程平均輸入電流限制；

(5)占板面積很小的扁平解決方案；

(6)采用先進(jìn)的封裝以提高熱性能和空間利用率。

5 具備主動平衡功能的 LTC3128降壓-升壓型超級電容器充電器

LTC3128是一款高效率、限制輸入電流的降壓-升壓型超級電容器充電器，具備針對一或兩串超級電容器的主動充電平衡功能。該器件提供平均輸入電流限制，能夠以±2%的準(zhǔn)確度將電流限制設(shè)定為高達(dá)3 A，從而防止電源過載，同時最大限度地縮短電容器再充電時間。高效率主動充電平衡功能無需有損耗的外部鎮(zhèn)流電阻器，即使采用失配的電容器，也可確保平衡運(yùn)行和充電，并減少再充電次數(shù)。可編程的最高電容器電壓箝位功能跨串聯(lián)電容器組中的每個電容器主動地監(jiān)視和施加電壓，從而隨電容器老化并逐漸出現(xiàn)容量失配時，確保可靠運(yùn)行。無論輸出超級電容器電壓是高于還是低于輸入，低噪聲降壓-升壓型拓?fù)涠荚试S給輸出超級電容器充電。低RDS(ON)、低柵極電荷同步開關(guān)提供高效率轉(zhuǎn)換，以最大限度縮短存儲組件的充電時間。這些特點(diǎn)使LTC3128非常適合在備份電源應(yīng)用中安全充電，并保護(hù)大型電容器。參見圖1的典型備份應(yīng)用電路。

圖1 LTC3128典型備份應(yīng)用電路

LTC3128的輸入電流限制和最高電容器電壓均可用單個電阻器設(shè)定。平均輸入電流在0.5 A～3 A設(shè)定范圍內(nèi)可準(zhǔn)確地控制，而且單個電容器的最高電壓可以設(shè)定在1.6 V～3.0 V范圍。LTC3128的其他特點(diǎn)包括：突發(fā)模式(Burst Mode?)工作時 VOUT的靜態(tài)電流＜2μA、準(zhǔn)確的電源良好和電源故障指示器、以及熱過載保護(hù)。

6 高效率充電

給輸出電容器充電時，LTC3128采用固定頻率、平均輸入電流 PWM控制。專有開關(guān)算法允許充電器在降壓和升壓模式之間轉(zhuǎn)換，同時電感器電流或環(huán)路特性不會失去連續(xù)性。用于降壓-升壓型充電器的開關(guān)拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 LTC3128的充電器降壓-升壓型拓?fù)?/p>

兩個開關(guān)(D和 E)將 SW2連至 VOUT，以在整個輸出電壓范圍內(nèi)提供高效率。LTC3128提供超過90%的高效率，如圖3曲線所示。

圖3 LTC3128效率與VOUT/0.5 A的關(guān)系

7 結(jié)論

LTC3128是一款控制平均輸入電流的降壓-升壓型DC/DC超級電容器充電器，該充電器運(yùn)用了專有的開關(guān)算法，使輸出能夠調(diào)節(jié)在高于、低于或等于輸入電壓的情況下。該器件可構(gòu)成了一款單芯片、緊湊、強(qiáng)大和靈活的解決方案。該器件能夠以高效升壓或降壓方式給超級電容器充電，同時保護(hù)電池并平衡電池容量，極大地簡化了過去非常困難的設(shè)計(jì)任務(wù)。如需更多信息，請?jiān)L問www.linear.com.cn/products/supercapacitor_chargers。