摘要：本文介紹了超級(jí)電容器，并對(duì)超級(jí)電容器與電池進(jìn)行比較，分析了電容器設(shè)計(jì)困境與挑戰(zhàn)。

1背景信息

超級(jí)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(biāo)準(zhǔn)陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比，超級(jí)電容器以類似的外形尺寸和重量供應(yīng)更高的能量密度和更大的電容。隨著生產(chǎn)超級(jí)電容器的成本持續(xù)下降，同時(shí)市場逐步了解超級(jí)電容器的功能，超級(jí)電容器正在傳統(tǒng)電容器和電池之間開拓出一個(gè)日益上升且有利可圖的市場。此外，盡管對(duì)待超級(jí)電容器要某種程度上的“小心維護(hù)”，但是在那些要求高電流/短持續(xù)時(shí)間后備供電的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中，它們可為電池起到增補(bǔ)用途(作為一種可降低主電源所承受之應(yīng)力從而延長其壽命的互補(bǔ)電源)，甚至取代電池。再者，超級(jí)電容器還可用在要大電流突發(fā)或短暫電池備份的各種高峰值功率和便攜式應(yīng)用中，例如UpS(不間斷電源)系統(tǒng)。與電池相比，超級(jí)電容器以更小的外形尺寸供應(yīng)峰值功率更大的突發(fā)，在更寬的工作溫度范圍內(nèi)供應(yīng)更長的充電周期壽命。通過降低電容器的Top-Off電壓和防止高溫(>50℃)，可以最大限度延長超級(jí)電容器的壽命。參見圖1和表1以了解超級(jí)電容器的能量密度以及與其他形式電源的比較。

2超級(jí)電容器與電池比較總結(jié)

2.1電池

?能量密度高;

?合理的功率密度;

?在低溫時(shí)ESR高。

2.2超級(jí)電容器

?合理的能量密度;

?功率密度高;

?低ESR-甚至在低溫時(shí)(–20℃與25℃相比，提高約2倍)。

2.3超級(jí)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(yīng)用中無電流反向保護(hù)。

2.4串聯(lián)超級(jí)電容器優(yōu)勢(shì)

?允許更好地利用能量E=1/2CV2;

?簡化“瀕臨崩潰”/備份電路;

?關(guān)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(jí)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(shí)間變化引起過壓問題─電池要持續(xù)平衡;

?SCAp電容和ESR隨時(shí)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。

3超級(jí)電容器設(shè)計(jì)困境

超級(jí)電容器有很多優(yōu)勢(shì)，然而在給串聯(lián)的能量存儲(chǔ)器件充電時(shí)，最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可能要面對(duì)諸如電池容量平衡、充電時(shí)電池過壓損壞、過大的電流消耗、解決方法占板面積很大而空間利用率又至關(guān)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(dāng)。超級(jí)電容器的容量不平衡可能導(dǎo)致過壓損壞。每節(jié)電池配備一個(gè)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(jí)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(duì)超級(jí)電容器能量存儲(chǔ)的影響，設(shè)計(jì)師還可以使用電流非常小的主動(dòng)平衡電路。另一個(gè)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(shí)很大，然后隨著時(shí)間推移降至較低的值。不過，假如串聯(lián)電池之間的泄漏電流失配，那么電池一開始再充電就可能過壓，除非設(shè)計(jì)師用平衡電阻器消除泄漏電流。不過，平衡電阻器出現(xiàn)不想要的組件和負(fù)載電流，加重了應(yīng)用電路負(fù)擔(dān)。

4超級(jí)電容器充電器IC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在開始設(shè)計(jì)超級(jí)電容器充電方法時(shí)，設(shè)計(jì)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(jí)存儲(chǔ)電容器最終要供應(yīng)存儲(chǔ)的能量，以在主電源軌萬一出故障時(shí)供應(yīng)備份。因此，通常要兩個(gè)單獨(dú)的電源轉(zhuǎn)換器：第一個(gè)用來給超級(jí)電容器充電，第二個(gè)用來保持主電源軌吸取超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的能量。用單個(gè)轉(zhuǎn)換器供應(yīng)這兩種功能是最理想的，但是，轉(zhuǎn)換器必須雙向工作，檢測(cè)主電源何時(shí)缺失，并在備份和充電模式之間無縫轉(zhuǎn)換，同時(shí)還要具備很寬的工作范圍，以確保利用所有可用備份能量。