超级电容器电源子系统让电池养精蓄锐

　　如今手机具备越来越丰富的功能，耗电量也随之增加。两三年前流行的VGA成像器目前正在被具备320万像素且配备更高电流LED闪光灯的成像器取代（有些甚至高达800万像素）；可进行多媒体录音的高电耗立体声驱动器，正逐渐取代低电耗单声道音频驱动器。随着3G网络的普及，无线数据传输呈指数增长，这就需要手机中配备更多的射频功放来处理语音呼叫和数据流。遗憾的是，这些功能在使用时都会消耗大量的电池电流（1A+）。如果同时使用这些功能，就会导致电池电流的经常性故障，或者出现手机故障关机现象。
　　针对峰值电池电流出现的问题，其解决方案包括谨慎管理脉冲计时以及减少对整体性能的要求（例如限制闪光灯电流或音量大小）。但是，这两种解决方案都限制了手机性能的延展，因此并不被提倡。另外还有一种方法可供选择，那就是创建一个基于超级电容器的电源子系统，而且超级电容器管理芯片能够帮助应用程序完全复原。
　　目前系统面临的问题
　　针对锂离子电池的电流限值（约为2A-3A），设计者必须谨慎管理系统中不同负载的电流需求分配，避免出现过电流现象。此外，当电池电压降低并接近系统阻断电压时，与电池ESR相连的强电流脉冲会导致系统故障关机。
　　举例来说，如果在进行LED闪光操作的同时进行GSM传输，那么脉冲电流的总需求量很容易超过3A（GSM传输为2A，LED闪光操作为1.5A）。
　　为了防止发生过电流现象，许多手机设计要么采用降低额定值的闪光电流，从而将输入电流水平降低到可控水平；要么在闪光灯LED驱动器芯片中采用传输中断引脚。传输中断信号会在射频功放和闪光灯驱动器之间提供一种同步机制。当射频功放在闪光操作期间进行传输时，闪光中断将启动，从而使闪光电流降低或完全关闭。这一功能可防止电池过载。如果采用滚动快门，那么拍出的照片会出现暗线或暗部。如此看来，两种方法都会造成照片质量下降。
　　图1显示了大量脉冲负载施加到电池上产生的影响，着重显示了电池ESR压降以及总脉冲电池电流的量级。假设现在有一块100mΩ的电池ESR，负载包括1.2A的LED闪光脉冲、2A的GSM传输脉冲和立体声D类放大器供电，那么峰值脉冲电流可能会超过4A，并造成电池组电压瞬间降低400mV。

　　

　　图1： 大量脉冲负载施加到电池上产生的影响。

　　为了避免产生这种压降，必须降低闪光电流和音频功率，从而将峰值电流降低到系统可以承受的范围内，此外也可采用增加电池容量的方法。而添加一个超级电容器，可以在无需增加电池容量的情况下有效提高电池的脉冲电流处理能力，同时还可协助系统实现全部功能。
　　什么是超级电容器？
　　超级电容器的准确名称，是电化学或电双电层电容器（具体名称取决于制造商），简称EDLC。超级电容器的表现与传统电容器（包括多层陶瓷电容器、钽电容器、电解电容器等）相似，但能量密度更高。这是由具有极大的电荷存储表面积的多孔炭电极与专门的电解质提供的极薄的板分离层相结合而形成的。
　　EDLC的电容值不适合置于超薄便携系统（应用于氙气闪光灯的电解电容器的典型厚度为6mm以上，与之相比，EDLC的典型厚度约为2mm-3mm）。对最大额定电压为2.75V-2.85V的单元电容器而言，EDLC的电容值可以达到180mF-1.8F。本文将重点讨论额定电压为5.5V-5.7V（两个单元EDLC串联）以及电容值为425mF-550mF的双单元 EDLC。
　　在何处放置超级电容器？
　　在便携系统中使用大电容具有很多优势。超级电容器所在的位置会对电池供电电流产生显著影响。
　　如果将超级电容器与系统电池并排放置，那么在LED闪光驱动器或射频传输吸收大电流时，超级电容将有助于降低电池的峰值电流。超级电容器和电池提供的电流量与其ESR值成反比。较低的ESR（这种情况下电池和超级电容器互相组合）会产生较大的电流。超级电容器的ESR值可以低至50mΩ，而典型的锂离子电池的ESR值为200mΩ-300mΩ。图2的一组公式显示了来自电池的初始电流和来自超级电容器的电流之间的比较。

　　

　　图2

　　随着负载脉冲的持续增加，超级电容器的放电会使来自超级电容器的电流减少，同时使来自电池的电流增加。
　　采用并联超级电容器确实有助于防止故障关机，但是这种配置也存在一些问题。为了避免损坏电池，应在电池与超级电容器之间布置某些形式的限流电路。当超级电容器完全放电之后，会呈现出对地短路，并将从电池中吸收尽可能多的电流。

　　

　　图3： 共享负载可以最大限度地减少脉冲负载造成的电池ESR值的降低，从而有可能扩展电池的可用范围。

　　限流电路的构建非常简单，例如，可以通过添加串联电阻来防止峰值电流低于电池允许的最大值，这样做行的通，但是较大的RC时间常数会降低系统的整体效率，并影响电容器的充电时间。另一种限流电路，是将一个限流线性电压调节器（LDO）置于超级电容器和电池之间，从而为超级电容器充电，并控制峰值电池电流。使用LDO时，由于其无法提升电池电压，因此超级电容器的目标电压必须始终低于电池电压。第三种选择（见后文）是在电池和超级电容器之间采用某些升压变换器，形成固定的电压轨，从而对超级电容器进行再充电，并满足超级电容器系统的平均电流要求。
　　超级电容器系统
　　图4中的例子采用了与图1相同的负载配置和负载控制器，利用超级电容器充电器/控制器将电池峰值电流限制在可控水平（约500mA），并将电池ESR造成的压降保持在50mV左右。在这个例子中，超级电容器和控制器将峰值电流和ESR压降减少了85%以上，同时没有削弱子系统的负载性能。

　　

　　图4

　　应用中对超级电容器管理芯片有哪些要求？
　　采用双单元超级电容器时需要满足一些采用其它电介质电容器所不需要的特殊要求。EDLC管理芯片必须能够符合这些要求，以切实保护EDLC，并控制超级电容器电源子系统。
　　1. 超级电容器子系统管理芯片的输入电流限值，必须与移动设备中的电池和其他系统相一致。超级电容器子系统应支持高电流脉冲负载，同时又不中断正常的系统功能。产品设计者必须首先为不同电源域（例如基带处理器、显示屏）的设计制定预算。
　　例如，如果所用电池的电流限值为2A，并且与超级电容器无关的功能可以在任一特定时间达到1.4A，那么选择输入电流限值为600mA的超级电容器管理芯片就可以避免触发电池过流保护装置。
　　开关电容升压转换器和同步感应升压转换器，比异步感应升压转换器更适于对超级电容器进行充电。异步转换器无法主动断开输出端和输入端。如果超级电容器放电直至低于电池电压值，并且电池连接到了系统，那么将无法限制充电电流，因为肖特基二极管开始充当导体，而电流的流动也将不受控制。同步升压转换器和开关电容升压转换器都具有内控式场效应管，可限制流入超级电容器的电流。
　　2. 超级电容器管理芯片必须能够在其额定输出电流限值内处理输出短路。电容为0.5F的超级电容器完全放电之后，就如同充电周期之初的对地短路。多数电源管理芯片都基于升压体系（无论是感应电容器还是开关电容器），会在输入电流限值内运行，直至电容器接近其目标输出电压。这就要求在启动时管理芯片能够耗散设备的大量功率。
　　例如，如果电池电压为4.0V，管理芯片的输入电流限值为500mA，假设超级电容器完全放电（VCAP=GND或0V），则芯片必须在最初耗散设备中的2W功率，并继续充电过程。
　　随着超级电容器电压的升高，芯片的耗散功率将会减少。
　　3. 子系统进入关闭状态时，子系统管理芯片应使升压转换器的输出端处于高阻态。这将防止EDLC在不使用时产生放电。
　　4. 需要为双单元超级电容器提供一个单元电压平衡方案，以避免每个EDLC单元出现过压。简单的电阻器就能用来平衡单个EDLC单元的电压，但是会继续吸收超级电容器的电流。首选的方法，是采用主动平衡方案，即利用放大器来驱动平衡终端，从而维持EDLC单元的平衡。有效的主动平衡方案能够从特定的EDLC单元获取和吸收电流，以确保每个单元上的电压等于总输出电压的一半。

　　

　　图5

　　闪光灯
　　除了上文提到的优势，采用超级电容器子系统在仅连接至电池时，能够实现在超出闪光灯驱动器所允许的电流水平下驱动LED闪光灯阵列。根据采用的电容值以及LED的数量，闪光灯电流可以超过5A并持续33ms。在该电流水平下，LED阵列可以产生接近于氙气闪光灯的曝光值（lx*s），解决方案更加纤薄，并支持持续的电影模式，而这点是氙气闪光灯无法做到的。此外，LED还可以在较低电流水平下持续驱动，以支持电影模式光线，这也是氙气灯无可比拟的。
　　缺点
　　尽管超级电容器子系统具有上述种种优势，但是还存在一些不太理想的设计考量。首先是电容器本身的物理尺寸。尽管超级电容器比基于氙气的解决方案更纤薄，但是一个可以处理5.5V额定操作电压的典型超级电容器的平均高度为2mm-3mm，所占面积为360mm2- 00mm2。而将该尺寸元件置于移动设备中，目前尚有一定难度。
　　此外，目前的超级电容器无法进行标准回流装配，需要额外的装配流程，这会造成生产成本的增加。再者，超级电容器在高温环境下会出现膨胀，导致元件受损，并出现寿命问题。
　　结论
　　在便携设备中运用超级电容器可以同时支持多种高电流负载脉冲。在支持射频功放传输脉冲、高功率立体声驱动器和LED照相机闪光灯的同时，可以使电池电流保持在易于控制的水平，从而有助于消除许多设计难题（如时间限制、电池ESR显著下降）。运用上述标准正确评估电容器驱动器/控制器，将有助于使所有设计都能充分利用超级电容器子系统，并最大限度地降低设计周期后期出现的难题。随着超级电容器性能的提高（例如额定电压和容量提升、ESR和物理尺寸降低），手机的高级功能将越来越多，从而提供更加丰富的用户经验。

来源：电子工程网