雙向超級電容器充電器集成了備份和平衡功能

摘要：本文介紹了超級電容器，并對超級電容器與電池進行比較，分析了電容器設計困境與挑戰(zhàn)。本文網(wǎng)絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/281892.htm

關鍵詞：超級電容器；電池；電源管理

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.10.016

背景信息

超級電容器（又稱為SCAP、雙層電容器等）不僅僅是電容非常大的電容器。與標準陶瓷、鉭或電解質電容器相比，超級電容器以類似的外形尺寸和重量提供更高的能量密度和更大的電容。隨著生產(chǎn)超級電容器的成本持續(xù)下降，同時市場逐步了解超級電容器的功能，超級電容器正在傳統(tǒng)電容器和電池之間開拓出一個日益增長且有利可圖的市場。此外，盡管對待超級電容器需要某種程度上的“小心維護”，但是在那些要求高電流/短持續(xù)時間后備供電的數(shù)據(jù)存儲應用中，它們可為電池起到增補作用（作為一種可降低主電源所承受之應力從而延長其壽命的互補電源），甚至取代電池。再者，超級電容器還可用在需要大電琉突發(fā)或短暫電池備份的各種高峰值功率和便攜式應用中，例如UPS（不間斷電源）系統(tǒng)。與電池相比，超級電容器以更小的外形尺寸提供峰值功率更大的突發(fā)，在更寬的工作溫度范圍內提供更長的充電周期壽命。通過降低電容器的Top-Off電壓和避免高溫（>50℃），可以最大限度延長超級電容器的壽命。參見圖1和表1以了解超級電容器的能量密度以及與其他形式電源的比較。

超級電容器與電池比較總結

2.1電池

能量密度高；

合理的功率密度；

在低溫時ESR高。

2.2超級電容器

合理的能量密度；

功率密度高；

低ESR-甚至在低溫時（-20℃與25℃相比，提高約2倍）。

2.3超級電容器限制

最高終止電壓限制到2.5V或2.75V；

插入浪涌電流太大；

在保持應用中無電流反向保護。

2.4串聯(lián)超級電容器優(yōu)勢

允許更好地利用能量E=1/2CV²

簡化“瀕臨崩潰”/備份電路：

對于3.3V備份采用升壓而不是降壓；

適合大功率備份、工業(yè)溫度范圍。

2.5串聯(lián)超級電容器的潛在問題

SCAP可能有容量失配問題；

SCAP泄漏失配可能隨時間變化引起過壓問題一電池需要持續(xù)平衡；

SCAP電容和ESR隨時間變化下降，而且不總是以同樣的速率下降；

SCAP退化隨過壓和高溫而加速。

超級電容器設計困境

超級電容器有很多優(yōu)勢，然而在給串聯(lián)的能量存儲器件充電時，最終產(chǎn)品設計師可能要面對諸如電池容量平衡、充電時電池過壓損壞、過大的電流消耗、解決方案占板面積很大而空間利用率又至關重要等問題。

串聯(lián)電容器的容量平衡確保每節(jié)電池上的電壓大致相當。超級電容器的容量不平衡可能導致過壓損壞。每節(jié)電池配備一個平衡電阻器的外部電路是解決容量不平衡問題的一種辦法。平衡電阻器的值將取決于超級電容器的工作溫度及其充電/放電曲線。為了限制平衡電阻器引起的電流泄漏對超級電容器能量存儲的影響，設計師還可以使用電流非常小的主動平衡電路。另一個容量失配的原因是泄漏電流不同。電容器的泄漏電流開始時很大，然后隨著時間推移降至較低的值。不過，如果串聯(lián)電池之間的泄漏電琉失配，那么電池一開始再充電就可能過壓，除非設計師用平衡電阻器消除泄漏電流。不過，平衡電阻器產(chǎn)生不想要的組件和負載電流，加重了應用電路負擔。

超級電容器充電器IC設計挑戰(zhàn)

在開始設計超級電容器充電方案時，設計師必須考慮的一些更棘手的問題是以下需求：

（1）備份能力。超級存儲電容器最終要提供存儲的能量，以在主電源軌萬一出故障時提供備份。因此，通常需要兩個單獨的電源轉換器：第一個用來給超級電容器充電，第二個用來保持主電源軌吸取超級電容器中存儲的能量。用單個轉換器提供這兩種功能是最理想的，但是，轉換器必須雙向工作，檢測主電源何時缺失，并在備份和充電模式之間無縫轉換，同時還要具備很寬的工作范圍，以確保利用所有可用備份能量。

（2）高效率和大充電電流。高效率、大電流降壓一升壓型超級電容器充電器/平衡器能夠包括充分利用超級電容器優(yōu)勢所需的所有功能。而分立式解決方案，盡管可能，但是復雜、較大、效率較低、準確度較低。

（3）高準確度和負載均分能力。具±2%準確度的輸入電流限制和輸入負載均分使多個負載能夠以最小降額/裕度均分同一電源的全部供電能力。這樣的功能用分立式解決方案是無法實現(xiàn)的。

（4）主動平衡。大多數(shù)超級電容器系統(tǒng)采用耗能（電阻器）平衡方法。主動平衡在電容器之間來回高效運送電荷，從而消除了功率損耗以及采用耗能方法所需的后續(xù)再充電周期。

本文所述解決這些問題的降壓一升壓型IC超級電容器充電解決方案需要具備以下所有性能特點：

提供備份電源，并給超級電容器充電；

靈活性-必須以升壓或降壓模式高效地工作；

能夠以可編程最高電容器電壓執(zhí)行主動充電平衡；

提供大充電電流能力；

具備準確的可編程平均輸入電流限制；

占板面積小的扁平解決方案；

擁有先進的封裝以提高熱性能和空間利用效率。

一種新型IC滿足所有需求

LTC3110是一款雙向、輸入電流可編程降壓-升壓型超級電容器充電器，具備面向一或兩個串聯(lián)超級電容器的主動充電平衡功能。其專有低噪聲降壓-升壓型拓撲能夠完成兩個單獨的開關穩(wěn)壓器的工作，從而減小了解決方案尺寸、成本和復雜性。LTC3110以兩種模式工作，備份和充電模式。在備份模式，該IC保持系統(tǒng)電壓V_SYS為1.71V至5.25V，由超級電容器存儲的能量供電。此外，超級電容器存儲輸入V_CAP具備很寬的5.5V直至0.5V之實際工作范圍。這確保幾乎所有超級電容器儲存的能量都能得到利用，從而延長了備份時間或者減小了存儲電容器尺寸。在充電模式，當主電源系統(tǒng)有效時，LTC3110可自主（或通過用戶命令）和無縫地調轉電源流動方向，利用穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓實現(xiàn)超級電容器的充電和平衡。通過降壓一升壓型轉換器，V_CAP被高效充電至高于或低于V_SYS，該器件還具備充電模式平均輸入電流限制，該限制能夠以±2%的準確度設定為高達2A，從而防止系統(tǒng)電源過載，同時最大限度縮短電容器再充電時間。參見圖2所示典型應用電路。

LTC3110的主動充電平衡消除了外部耗能鎮(zhèn)流電阻器的持續(xù)泄漏，從而甚至在電容器失配和再充電周期較不頻繁時，也可確保平衡地運行和充電。可編程最大電容器電壓調節(jié)功能主動地對串聯(lián)電容器組中每個電容器上的電壓進行平衡，并將其限制到1/2設定值，從而確保隨電容器老化以及容量逐漸失配而可靠工作。R_DS（ON）很低、柵極電荷很少的同步開關提供高效率轉換，以最大限度縮短存儲組件的充電時間。因此，LTC3110非常適合給備份電源應用中的大型電容器安全地充電并提供保護，例如具電池/電容器備份的服務器和RAID系統(tǒng)以及RF系統(tǒng)。

LTC3110的輸入電流限制和最高電容器電壓是電阻器可編程的。平均輸入電流在0.125A至2A設定范圍內是準確控制的。引腳可選突發(fā)模式（Burst Mode）工作提高了輕負載效率，將備用電流降至僅為45μA，停機電流低于1μA。LTC3110的其他特點包括可最大限度減小外部組件尺寸的1.2MHz高開關頻率、熱過載保護、用于方向控制和充電終止的兩個電壓監(jiān)察器以及一個具集電極開路輸出、用于連接μC或μP的通用比較器。LTC3110采用緊湊的耐熱性能增強型24引線4mmx 4mm QFN和TSSOP封裝，兩種封裝版本都在-40℃至+150℃的H級工作溫度范圍內工作。

總之，LTC3110的主要特色是：

VCAP工作范圍：O.lV至5.5V；

V_SYS工作范圍：1.71V至5.25V；

從充電模式到備份模式自動切換；

范圍為125mA至2A、準確度為±2%的可編程充電輸入電流限制；

±1%備份電壓準確度；

自動電容器容量平衡；

以固定1.2MHz頻率切換；

突發(fā)模式工作：45μA I_Q；

具集電極開路輸出的額外可編程多用途比較器；

集電極開路輸出指示工作方向和充電終止；

扁平TSSOP-24和4mm×4mmQFN-24封裝。

高效率充電

專有開關算法在工作模式之間提供無縫轉換，在所有工作區(qū)內消除了平均電感器電流、電感器電流紋波以及環(huán)路傳輸函數(shù)的不連續(xù)性。與傳統(tǒng)的4開關降壓一升壓型轉換器相比，這些優(yōu)勢導致效率提高、環(huán)路穩(wěn)定性增強以及V_SYS電壓紋波減小。實現(xiàn)降壓-升壓型充電器的開關拓撲如圖3所示。

兩個開關（C和D）連接SW2至V_SYS，以在整個輸出電壓范圍內提供高效率。LTC3110有非常高的效率，幾乎達到95%，如圖4中的曲線所示。

結論

LTC3110是一款雙向、平均輸入電流受到控制的降壓-升壓型DC/DC超級電容器充電器/穩(wěn)壓器，采用了專有開關算法，從而使其輸出能夠調節(jié)至高于、低于或等于輸入電壓。該器件由一個芯片組成，提供了緊湊、強大和靈活的解決方案。LTC3110在通用封裝中集成了高效率超級電容器充電、備份調節(jié)以及容量平衡/保護功能，從而很容易適合多種系統(tǒng)配置。這顯著地簡化了以前非常困難的設計任務。