双向超级电容器充电器集成了备份和平衡功能

超级电容器(又称为SCAp、双层电容器等)不仅仅是电容非常大的电容器。与标准陶瓷、钽或电解质电容器相比，超级电容器以类似的外形尺寸和重量供应更高的能量密度和更大的电容。随着加工超级电容器的成本继续下降，同时市场逐步知道超级电容器的功能，超级电容器正在传统电容器和电池之间开拓出一个日益上升且有利可图的市场。此外，尽管对待超级电容器要某种程度上的“小心维护”，但是在那些要求高电流/短继续时间后备供电的数据存储使用中，它们可为电池起到增补用途(作为一种可降低主电源所承受之应力从而延长其寿命的互补电源)，甚至取代电池。再者，超级电容器还可用在要大电流突发或短暂电池备份的各种高峰值功率和便携式使用中，例如UpS(不间断电源)系统。与电池相比，超级电容器以更小的外形尺寸供应峰值功率更大的突发，在更宽的工作温度范围内供应更长的充电周期寿命。通过降低电容器的Top-Off电压和戒备高温(>50℃)，可以最大限度延长超级电容器的寿命。参见图1和表1以知道超级电容器的能量密度以及与其他形式电源的比较。

2超级电容器与电池比较总结

2.1电池

•能量密度高;

•合理的功率密度;

•在低温时ESR高。

2.2超级电容器

•合理的能量密度;

•功率密度高;

•低ESR-甚至在低温时(–20℃与25℃相比，提高约2倍)。

2.3超级电容器限制

•最高终止电压限制到2.5V或2.75V;

•插入浪涌电流太大;

•在保持使用中无电流反向保护。

2.4串联超级电容器优点

•准许更好地利用能量E=1/2CV2;

•简化“濒临崩溃”/备份电路;

•关于3.3V备份采用升压而不是降压;

•适合大功率备份、工业温度范围。

2.5串联超级电容器的潜在问题

•SCAp可能有容量失配问题;

•SCAp泄漏失配可能随时间变化引起过压问题─电池要继续平衡;

•SCAp电容和ESR随时间变化下降，而且不总是以同样的速率下降;

•SCAp退化随过压和高温而加速。

3超级电容器设计困境

超级电容器有很多优点，然而在给串联的能量存储器件充电时，最终产品设计师可能要面对诸如电池容量平衡、充电时电池过压损坏、过大的电流消耗、处理办法占板面积很大而空间利用率又至关紧要等问题。

串联电容器的容量平衡确保每节电池上的电压大致相当。超级电容器的容量不平衡可能导致过压损坏。每节电池配备一个平衡电阻器的外部电路是处理容量不平衡问题的一种方法。平衡电阻器的值将取决于超级电容器的工作温度及其充电/放电曲线。为了限制平衡电阻器引起的电流泄漏对超级电容器能量存储的影响，设计师还可以使用电流非常小的主动平衡电路。另一个容量失配的原由是泄漏电流不同。电容器的泄漏电流开始时很大，然后随着时间推移降至较低的值。不过，倘若串联电池之间的泄漏电流失配，那么电池一开始再充电就可能过压，除非设计师用平衡电阻器消除泄漏电流。不过，平衡电阻器出现不想要的组件和负载电流，加重了使用电路负担。

4超级电容器充电器IC设计挑战

在开始设计超级电容器充电办法时，设计师非得考虑的一些更棘手的问题是以下需求：

(1)备份能力。超级存储电容器最终要供应存储的能量，以在主电源轨万一出故障时供应备份。因此，通常要两个单独的电源转换器：第一个用来给超级电容器充电，第二个用来保持主电源轨吸取超级电容器中存储的能量。用单个转换器供应这两种功能是最理想的，但是，转换器非得双向工作，测试主电源何时缺失，并在备份和充电模式之间无缝转换，同时还要具备很宽的工作范围，以确保利用所有可用备份能量。

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