超级电容器充电器平衡有关探讨

背景

　　凌力尔特公司 （Linear Technology Corporation） 推出两节超级电容器充电器系列的最新产品 LTC4425，该器件采用具热量限制的线性恒定电流 - 恒定电压 （CC-CV） 架构，从锂离子/聚合物电池、USB 端口或其它 2.7V 至 5.5V 的电流受限电源，将两节串联的超级电容器充电至可编程的输出电压。
 

　　LTC4425 具有两种运行模式：充电电流曲线 （典型） 模式和 LDO 模式。在充电电流曲线模式时，该器件将超级电容组的顶端充电至输入电压 VIN，所用的充电电流与输入至输出电压之差的变化相反，以防止产生过大的热量。LDO 模式将超级电容器组充电至外部设定的输出电压，所用充电电流是固定的，而且也是外部可编程的。充电电流可用电阻器编程至高达 2A （峰值为 3A），而且每个电容器都通过内部并联 （可选 2.45V/2.7V） 而受到保护，以防过压。LTC4425 内置的电流受限理想二极管具有极低的 50mΩ 导通电阻，以防止 VIN 向后驱动，从而使该器件非常适用于多种大峰值功率电池和 USB 供电的设备、工业 PDA、便携式仪表和监视设备、功率计、超级电容器备份电路以及 PC 卡/USB 调制解调器。

表 1：超级电容器、普通电容器及电池的比较

　　超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器（Electrical Doule-Layer Capacitor）、电化学电容器（Electrochemcial Capacitor, EC）， 黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

    小结 － 超级电容器与电池的比较：

　　电池：

　　高能量密度

　　适度的功率密度

　　在低温时具有大的等效串联电阻 （ESR）

　　超级电容器：

　　适度的能量密度

　　高功率密度

　　低 ESR （甚至在低温时）

　　（从 -20°C 增至 25°C 时约提高 2 倍）

　　超级电容器的限制：

　　每节最大值限制为 2.5V 或 2.75V

　　在叠置式应用中必须补偿漏电流之差

　　在大的充电电压和高温时，寿命缩短得更快

　　较早一代两节超级电容器充电器是为用 3.3V、3 节 AA 或锂离子/聚合物电池实现小电流充电而设计的，因为这些 IC 采用升压型拓扑。不过，超级电容器技术的改进已经使市场扩大了，产生了很多未必局限在消费电子产品领域的中到较大电流的应用。主要应用包括固态盘驱动器和海量存储备份系统、工业 PDA 和便利易用的终端等大电流便携式电子设备、数据记录仪、仪表、医疗设备、以及各种“谨守最后一刻”的工业应用 。

　　超级电容器充电器的设计挑战

　　超级电容器有很多优点，不过，当两个或更多电容器串联叠置时，就给设计师带来了诸如容量平衡、充电时电容器过压损坏、吸取过大电流、大占板面积/解决方案等问题。如果需要频繁的大峰值功率突发，那么也许需要较大的充电电流。此外，很多充电电源也许是电流受限的，例如，在电池缓冲器应用中或在 USB/PCCARD 环境中。就空间受限、较大功率的便携式电子设备而言，应对这些情况至关重要。

　　使串联连接的超级电容器达到容量平衡，可确保每节电容器上的电压近似相等，而超级电容器如果缺乏容量平衡，可能会导致过压损坏。就小电流应用而言，充电泵采用给每节电容器配一个平衡电阻器的外部电路，这是一种不算昂贵而又可解决这个问题的办法。正如下面说明的那样，平衡电阻器的值将主要取决于电容器的漏电流。但是如果串联电容器之间的漏电流失配，那么电容器可能一开始再充电就会过压，除非设计师选择可在每个电容器上提供比电容器漏电流本身大得多的负载电流的平衡电阻器。平衡电阻器导致不必要的成份和永久性放电电流，加重了应用电路的负担。如果失配的电容器以大电流充电，它们也不为每节电容器提供过压保护。

　　就中到较大功率应用而言，另一个可解决超级电容器充电问题而且不算昂贵的方法是，采用一个电流受限的开关加分立器件和外部无源组件。采用这种方法时，电流受限的开关提供了充电电流和电流限制，同时电压基准和比较器 IC 提供电压箝位，最后，具平衡电阻器的运放实现超级电容器的容量平衡。然而，镇流电阻器的值越低，静态电流越高，电池运行时间越短，显然的好处是节省了费用。不过，这种解决方案实现起来非常笨重，而且性能充其量也就是略微好一点。

　　上述满足超级电容器充电器 IC 设计限制的任何解决方案都必须与一个大电流充电器相结合，以用于具自动容量平衡和电压箝位的两节串联超级电容器。因此，凌力尔特公司开发了一款面向中到大功率应用的简单但先进的单片超级电容器充电器 IC，该 IC 无需电感器、无需平衡电阻器、有各种工作模式并具有低静态电流。

　　一种简单的解决方案

　　LTC4425 的自动能量平衡功能保持两节超级电容器有相等的电压，从而无需用于平衡的电阻器，同时保护每节超级电容器免受过压损坏，并最大限度地减少电容器的漏电流。当输出电压处于稳定状态时，该 IC 以非常低的 20uA 静态电流运行，而在停机时仅从 VIN 或 VOUT （视哪一个电压较高） 吸取 2uA 电流。基本充电电路仅需要 6 个外部组件，而且是高度紧凑，采用占板面积为 9mm2 的纤巧封装以及有引线的封装。其它关键特点包括一个 VIN 电源故障指示器以及通过 PROG 引脚连续监视 VIN 至 VOUT 的电流。其它保护功能包括电流和热量限制，该限制可在温度过高的情况下降低充电电流。

　　LTC4425 是凌力尔特的两节超级电容器充电器系列的新器件，用于在便携式和数据存储应用中满足大峰值功率、数据备份和“谨守最后一刻” 应用的需求。该器件采用具热量限制的线性恒定电流、恒定电压架构，用锂离子/聚合物电池、USB 端口或 2.7V 至 5.5V 电流受限电源将两节串联的超级电容器充电至可编程的输出电压。LTC4425 有两种工作模式：充电电流曲线 （通常） 模式和 LDO 模式。充电电流可用电阻器编程至 2A （3A 峰值），而且每个电容器都受到内部分路器保护以免过压损坏 。该 IC 内置的电流受限的理想二极管具有极低的 50mΩ 导通电阻，以防止 VIN 向后驱动，并使该器件适合于多种大峰值功率电池及 USB 供电设备、工业 PDA、便携式仪表和监视设备、功率计、超级电容器备份电路以及 PC 卡/USB 调制解调器。

　　LTC4425 采用两种紧凑、耐热增强型封装：12 引线、扁平 （高度仅为 0.75mm） 3mm x 3mm DFN 封装；12 引线 MSOP 封装。该器件在 -40°C 至 125°C 结温范围内工作。

图 1：LTC4425 方框图/应用电路LDO 模式 [p]

　　LDO 是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为 PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右；与之相比，使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。

在 LDO 模式时，通过 FB 引脚用一个外部电阻分压器网络设定输出电压 （VOUT），该分压器网络由 RFB1 和 RFB2 组成，而充电电流通过 PROG 引脚用一个外部电阻器 RPROG 设定。参见图 2 中所示的方框图。充电器控制电路由一个恒定电流放大器和一个恒定电压放大器组成。当启动该 IC 以给一个已放电的超级电容器组充电时，最初恒定电流放大器起控制作用，并伺服 PROG 引脚电压至 1V。通过 PROG 电阻器的电流乘以约为 1,000 的检测 MOSFET （MPSNS） 和功率 MOSFET （MPSW） 之比，以给超级电容器组充电。当输出电压 VOUT 接近设定值时，恒定电压放大器接管控制权，而且如果有必要则减少充电电流，以保持 FB 引脚电压等于一个 1.2V 的内部基准电压。因为 PROG 引脚电流始终约为充电电流的 1/1,000，所以 PROG 引脚电压持续指示实际充电电流，即使在恒定电压放大器起控制作用时也是如此。

　　充电电流曲线 （通常） 模式

　　当 FB 引脚短路到输入电压 VIN 时，LTC4425 进入充电电流曲线模式。在这种工作模式时，恒定电压放大器从内部禁止，但是充电电流仍然通过外部 RPROG 电阻器设定。如果输入至输出电压差 （VIN  – VOUT） 超过 750mV，那么充电器提供的电流是设定充电电流的 1/10， 以限制芯片内的功耗。当 VOUT 进一步上升时，充电器 FET 两端的电压变得太低，以至于无法支持满充电电流。因此充电电流逐步降低，充电器 FET 进入三极管 （符合欧姆定律的） 工作区 （参见图 3）。既然充电器 FET RDS（ON） 近似为 50mΩ，那么在设定充电电流为 2A 时，FET 将进入符合欧姆定律欧姆的区，且当 VOUT 与 VIN 相差约100mV 以内时，充电电流将开始下降。

　　电压箝位电路

　　LTC4425 配备的电路可将超级电容器组中两个超级电容器两端的电压限制到最高可允许电压 VCLAMP。有两个通过 SEL 引脚可选的 VCLAMP 预置电压：2.45V 或 2.7V。就较低的 2.45V VCLAMP 电压而言，SEL 引脚应该设定为逻辑低电平，而对于较高的 2.7V VCLAMP 电压，该引脚则应设为逻辑高电平。类似地，如果顶端电容器两端的电压 （VTOP） 先达到 VCLAMP，那么 PMOS 并联晶体管就接通，并开始从顶端的电容器向底端的电容器泄放电荷。

　　当任一超级电容器两端的电压达到与 VCLAMP 相差 50mV 以内时，互导放大器就开始线性地降低充电电流。到任一并联器件接通时，充电电流降至设定值的 1/10，而且只要该并联器件接通，就保持这个值不变。这是为了防止并联器件被过大的热量损坏。控制并联器件的比较器有 50mV 的迟滞，这意味着，当任一电容器两端的电压降低 50mV 时，并联器件断开，并以满充电电流恢复正常充电，除非受到另一个控制充电器 FET 栅极放大器的限制。如果两个电容器都超过它们的最大可允许电压 VCLAMP，那么主充电器 FET 完全关断，而且两个并联器件都接通。两个并联器件实际上是电流反射镜，保证分走比通过充电器 FET 的电流更大的电流。

　　漏电流平衡电路

　　LTC4425 还配备了一个内部漏电流平衡放大器 （LBA），该放大器使中点 （即 VMID 引脚） 电压准确地等于输出电压 VOUT 的一半。由于其受限的 1mA 供应和吸收能力，它被设计成用来处理由漏电流引起的超级电容器的轻微失配，而不是用来纠正由缺陷引起的任何严重失配。只要有输入电压存在，平衡器就工作。有了该内部平衡器，就无需外部平衡电阻器了。

　　表 2 比较了凌力尔特超级电容器充电器系列的器件。

　　结论

　　目前，超级电容器正用于一度由电池主导的应用中。最初的应用是小电流，不过技术已经进步，超级电容器现在已经用于消费类和非消费类市场上多种中到大功率的应用。超级电容器与电池相比有很多固有的优点，如可提供较高的峰值功率、较长的周期寿命以及较小的外形尺寸。不过，采用超级电容器的产品设计师面临很多问题，如需要容量平衡以及潜在的超级电容器过压损坏。