背景

　　凌力爾特公司 （Linear Technology Corporation） 推出兩節(jié)超級(jí)電容器充電器系列的最新產(chǎn)品 LTC4425,，該器件采用具熱量限制的線性恒定電流 - 恒定電壓 （CC-CV） 架構(gòu)，從鋰離子/聚合物電池,、USB 端口或其它 2.7V 至 5.5V 的電流受限電源,，將兩節(jié)串聯(lián)的超級(jí)電容器充電至可編程的輸出電壓。
 

　　LTC4425 具有兩種運(yùn)行模式：充電電流曲線 （典型） 模式和 LDO 模式,。在充電電流曲線模式時(shí),，該器件將超級(jí)電容組的頂端充電至輸入電壓 VIN，所用的充電電流與輸入至輸出電壓之差的變化相反,，以防止產(chǎn)生過(guò)大的熱量,。LDO 模式將超級(jí)電容器組充電至外部設(shè)定的輸出電壓，所用充電電流是固定的,，而且也是外部可編程的,。充電電流可用電阻器編程至高達(dá) 2A （峰值為 3A）,，而且每個(gè)電容器都通過(guò)內(nèi)部并聯(lián) （可選 2.45V/2.7V） 而受到保護(hù)，以防過(guò)壓,。LTC4425 內(nèi)置的電流受限理想二極管具有極低的 50mΩ 導(dǎo)通電阻,，以防止 VIN 向后驅(qū)動(dòng)，從而使該器件非常適用于多種大峰值功率電池和 USB 供電的設(shè)備,、工業(yè) PDA,、便攜式儀表和監(jiān)視設(shè)備、功率計(jì),、超級(jí)電容器備份電路以及 PC 卡/USB 調(diào)制解調(diào)器,。

表 1：超級(jí)電容器、普通電容器及電池的比較

　　超級(jí)電容器（supercapacitor,ultracapacitor）,，又叫雙電層電容器（Electrical Doule-Layer Capacitor）,、電化學(xué)電容器（Electrochemcial Capacitor, EC）， 黃金電容,、法拉電容,，通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件,，但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次,。超級(jí)電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無(wú)反應(yīng)活性的多孔電極板,，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子,，負(fù)極板吸引正離子,，實(shí)際上形成兩個(gè)容性存儲(chǔ)層，被分離開(kāi)的正離子在負(fù)極板附近,，負(fù)離子在正極板附近,。

    小結(jié) － 超級(jí)電容器與電池的比較：

　　電池：

　　高能量密度

　　適度的功率密度

　　在低溫時(shí)具有大的等效串聯(lián)電阻 （ESR）

　　超級(jí)電容器：

　　適度的能量密度

　　高功率密度

　　低 ESR （甚至在低溫時(shí)）

　　（從 -20°C 增至 25°C 時(shí)約提高 2 倍）

　　超級(jí)電容器的限制：

　　每節(jié)最大值限制為 2.5V 或 2.75V

　　在疊置式應(yīng)用中必須補(bǔ)償漏電流之差

　　在大的充電電壓和高溫時(shí),，壽命縮短得更快

　　較早一代兩節(jié)超級(jí)電容器充電器是為用 3.3V,、3 節(jié) AA 或鋰離子/聚合物電池實(shí)現(xiàn)小電流充電而設(shè)計(jì)的，因?yàn)檫@些 IC 采用升壓型拓?fù)?。不過(guò),，超級(jí)電容器技術(shù)的改進(jìn)已經(jīng)使市場(chǎng)擴(kuò)大了，產(chǎn)生了很多未必局限在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域的中到較大電流的應(yīng)用,。主要應(yīng)用包括固態(tài)盤驅(qū)動(dòng)器和海量存儲(chǔ)備份系統(tǒng)、工業(yè) PDA 和便利易用的終端等大電流便攜式電子設(shè)備,、數(shù)據(jù)記錄儀,、儀表,、醫(yī)療設(shè)備、以及各種“謹(jǐn)守最后一刻”的工業(yè)應(yīng)用 ,。

　　超級(jí)電容器充電器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　超級(jí)電容器有很多優(yōu)點(diǎn),，不過(guò)，當(dāng)兩個(gè)或更多電容器串聯(lián)疊置時(shí),，就給設(shè)計(jì)師帶來(lái)了諸如容量平衡,、充電時(shí)電容器過(guò)壓損壞、吸取過(guò)大電流,、大占板面積/解決方案等問(wèn)題,。如果需要頻繁的大峰值功率突發(fā)，那么也許需要較大的充電電流,。此外,，很多充電電源也許是電流受限的，例如,，在電池緩沖器應(yīng)用中或在 USB/PCCARD 環(huán)境中,。就空間受限、較大功率的便攜式電子設(shè)備而言,，應(yīng)對(duì)這些情況至關(guān)重要,。

　　使串聯(lián)連接的超級(jí)電容器達(dá)到容量平衡，可確保每節(jié)電容器上的電壓近似相等,，而超級(jí)電容器如果缺乏容量平衡,，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓損壞。就小電流應(yīng)用而言,，充電泵采用給每節(jié)電容器配一個(gè)平衡電阻器的外部電路,，這是一種不算昂貴而又可解決這個(gè)問(wèn)題的辦法。正如下面說(shuō)明的那樣,，平衡電阻器的值將主要取決于電容器的漏電流,。但是如果串聯(lián)電容器之間的漏電流失配，那么電容器可能一開(kāi)始再充電就會(huì)過(guò)壓,，除非設(shè)計(jì)師選擇可在每個(gè)電容器上提供比電容器漏電流本身大得多的負(fù)載電流的平衡電阻器,。平衡電阻器導(dǎo)致不必要的成份和永久性放電電流，加重了應(yīng)用電路的負(fù)擔(dān),。如果失配的電容器以大電流充電,，它們也不為每節(jié)電容器提供過(guò)壓保護(hù)。

　　就中到較大功率應(yīng)用而言,，另一個(gè)可解決超級(jí)電容器充電問(wèn)題而且不算昂貴的方法是,，采用一個(gè)電流受限的開(kāi)關(guān)加分立器件和外部無(wú)源組件。采用這種方法時(shí),，電流受限的開(kāi)關(guān)提供了充電電流和電流限制,，同時(shí)電壓基準(zhǔn)和比較器 IC 提供電壓箝位,，最后，具平衡電阻器的運(yùn)放實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的容量平衡,。然而,，鎮(zhèn)流電阻器的值越低，靜態(tài)電流越高,，電池運(yùn)行時(shí)間越短,，顯然的好處是節(jié)省了費(fèi)用。不過(guò),，這種解決方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常笨重,，而且性能充其量也就是略微好一點(diǎn)。

　　上述滿足超級(jí)電容器充電器 IC 設(shè)計(jì)限制的任何解決方案都必須與一個(gè)大電流充電器相結(jié)合,，以用于具自動(dòng)容量平衡和電壓箝位的兩節(jié)串聯(lián)超級(jí)電容器,。因此，凌力爾特公司開(kāi)發(fā)了一款面向中到大功率應(yīng)用的簡(jiǎn)單但先進(jìn)的單片超級(jí)電容器充電器 IC,，該 IC 無(wú)需電感器,、無(wú)需平衡電阻器、有各種工作模式并具有低靜態(tài)電流,。

　　一種簡(jiǎn)單的解決方案

　　LTC4425 的自動(dòng)能量平衡功能保持兩節(jié)超級(jí)電容器有相等的電壓,，從而無(wú)需用于平衡的電阻器，同時(shí)保護(hù)每節(jié)超級(jí)電容器免受過(guò)壓損壞,，并最大限度地減少電容器的漏電流,。當(dāng)輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，該 IC 以非常低的 20uA 靜態(tài)電流運(yùn)行,，而在停機(jī)時(shí)僅從 VIN 或 VOUT （視哪一個(gè)電壓較高） 吸取 2uA 電流,。基本充電電路僅需要 6 個(gè)外部組件,，而且是高度緊湊,，采用占板面積為 9mm2 的纖巧封裝以及有引線的封裝。其它關(guān)鍵特點(diǎn)包括一個(gè) VIN 電源故障指示器以及通過(guò) PROG 引腳連續(xù)監(jiān)視 VIN 至 VOUT 的電流,。其它保護(hù)功能包括電流和熱量限制,，該限制可在溫度過(guò)高的情況下降低充電電流。

　　LTC4425 是凌力爾特的兩節(jié)超級(jí)電容器充電器系列的新器件,，用于在便攜式和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中滿足大峰值功率,、數(shù)據(jù)備份和“謹(jǐn)守最后一刻” 應(yīng)用的需求。該器件采用具熱量限制的線性恒定電流,、恒定電壓架構(gòu),，用鋰離子/聚合物電池、USB 端口或 2.7V 至 5.5V 電流受限電源將兩節(jié)串聯(lián)的超級(jí)電容器充電至可編程的輸出電壓。LTC4425 有兩種工作模式：充電電流曲線 （通常） 模式和 LDO 模式,。充電電流可用電阻器編程至 2A （3A 峰值）,，而且每個(gè)電容器都受到內(nèi)部分路器保護(hù)以免過(guò)壓損壞 。該 IC 內(nèi)置的電流受限的理想二極管具有極低的 50mΩ 導(dǎo)通電阻,，以防止 VIN 向后驅(qū)動(dòng)，并使該器件適合于多種大峰值功率電池及 USB 供電設(shè)備,、工業(yè) PDA,、便攜式儀表和監(jiān)視設(shè)備、功率計(jì),、超級(jí)電容器備份電路以及 PC 卡/USB 調(diào)制解調(diào)器,。

　　LTC4425 采用兩種緊湊、耐熱增強(qiáng)型封裝：12 引線,、扁平 （高度僅為 0.75mm） 3mm x 3mm DFN 封裝,；12 引線 MSOP 封裝。該器件在 -40°C 至 125°C 結(jié)溫范圍內(nèi)工作,。

圖 1：LTC4425 方框圖/應(yīng)用電路LDO 模式

　　LDO 是一種線性穩(wěn)壓器,。線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或 FET，從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓,，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的輸出電壓,。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值,。正輸出電壓的LDO（低壓降）穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管（也稱為傳遞設(shè)備）作為 PNP,。這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個(gè)非常低的壓降電壓,，通常為 200mV 左右,；與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右,。負(fù)輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備,，其運(yùn)行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類似。

在 LDO 模式時(shí),，通過(guò) FB 引腳用一個(gè)外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定輸出電壓 （VOUT）,，該分壓器網(wǎng)絡(luò)由 RFB1 和 RFB2 組成，而充電電流通過(guò) PROG 引腳用一個(gè)外部電阻器 RPROG 設(shè)定,。參見(jiàn)圖 2 中所示的方框圖,。充電器控制電路由一個(gè)恒定電流放大器和一個(gè)恒定電壓放大器組成。當(dāng)啟動(dòng)該 IC 以給一個(gè)已放電的超級(jí)電容器組充電時(shí),，最初恒定電流放大器起控制作用,，并伺服 PROG 引腳電壓至 1V。通過(guò) PROG 電阻器的電流乘以約為 1,000 的檢測(cè) MOSFET （MPSNS） 和功率 MOSFET （MPSW） 之比,，以給超級(jí)電容器組充電,。當(dāng)輸出電壓 VOUT 接近設(shè)定值時(shí),，恒定電壓放大器接管控制權(quán)，而且如果有必要?jiǎng)t減少充電電流,，以保持 FB 引腳電壓等于一個(gè) 1.2V 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓,。因?yàn)?PROG 引腳電流始終約為充電電流的 1/1,000，所以 PROG 引腳電壓持續(xù)指示實(shí)際充電電流,，即使在恒定電壓放大器起控制作用時(shí)也是如此,。

　　充電電流曲線 （通常） 模式

　　當(dāng) FB 引腳短路到輸入電壓 VIN 時(shí)，LTC4425 進(jìn)入充電電流曲線模式,。在這種工作模式時(shí),，恒定電壓放大器從內(nèi)部禁止，但是充電電流仍然通過(guò)外部 RPROG 電阻器設(shè)定,。如果輸入至輸出電壓差 （VIN  – VOUT） 超過(guò) 750mV,，那么充電器提供的電流是設(shè)定充電電流的 1/10， 以限制芯片內(nèi)的功耗,。當(dāng) VOUT 進(jìn)一步上升時(shí),，充電器 FET 兩端的電壓變得太低，以至于無(wú)法支持滿充電電流,。因此充電電流逐步降低,，充電器 FET 進(jìn)入三極管 （符合歐姆定律的） 工作區(qū) （參見(jiàn)圖 3）。既然充電器 FET RDS（ON） 近似為 50mΩ,，那么在設(shè)定充電電流為 2A 時(shí),，F(xiàn)ET 將進(jìn)入符合歐姆定律歐姆的區(qū)，且當(dāng) VOUT 與 VIN 相差約100mV 以內(nèi)時(shí),，充電電流將開(kāi)始下降,。

　　電壓箝位電路

　　LTC4425 配備的電路可將超級(jí)電容器組中兩個(gè)超級(jí)電容器兩端的電壓限制到最高可允許電壓 VCLAMP。有兩個(gè)通過(guò) SEL 引腳可選的 VCLAMP 預(yù)置電壓：2.45V 或 2.7V,。就較低的 2.45V VCLAMP 電壓而言,，SEL 引腳應(yīng)該設(shè)定為邏輯低電平，而對(duì)于較高的 2.7V VCLAMP 電壓,，該引腳則應(yīng)設(shè)為邏輯高電平,。類似地，如果頂端電容器兩端的電壓 （VTOP） 先達(dá)到 VCLAMP,，那么 PMOS 并聯(lián)晶體管就接通,，并開(kāi)始從頂端的電容器向底端的電容器泄放電荷。

　　當(dāng)任一超級(jí)電容器兩端的電壓達(dá)到與 VCLAMP 相差 50mV 以內(nèi)時(shí),，互導(dǎo)放大器就開(kāi)始線性地降低充電電流,。到任一并聯(lián)器件接通時(shí)，充電電流降至設(shè)定值的 1/10，而且只要該并聯(lián)器件接通,，就保持這個(gè)值不變,。這是為了防止并聯(lián)器件被過(guò)大的熱量損壞?？刂撇⒙?lián)器件的比較器有 50mV 的遲滯,，這意味著，當(dāng)任一電容器兩端的電壓降低 50mV 時(shí),，并聯(lián)器件斷開(kāi),，并以滿充電電流恢復(fù)正常充電，除非受到另一個(gè)控制充電器 FET 柵極放大器的限制,。如果兩個(gè)電容器都超過(guò)它們的最大可允許電壓 VCLAMP，那么主充電器 FET 完全關(guān)斷,，而且兩個(gè)并聯(lián)器件都接通,。兩個(gè)并聯(lián)器件實(shí)際上是電流反射鏡，保證分走比通過(guò)充電器 FET 的電流更大的電流,。

　　漏電流平衡電路

　　LTC4425 還配備了一個(gè)內(nèi)部漏電流平衡放大器 （LBA）,，該放大器使中點(diǎn) （即 VMID 引腳） 電壓準(zhǔn)確地等于輸出電壓 VOUT 的一半。由于其受限的 1mA 供應(yīng)和吸收能力,，它被設(shè)計(jì)成用來(lái)處理由漏電流引起的超級(jí)電容器的輕微失配,，而不是用來(lái)糾正由缺陷引起的任何嚴(yán)重失配。只要有輸入電壓存在,，平衡器就工作,。有了該內(nèi)部平衡器，就無(wú)需外部平衡電阻器了,。

　　表 2 比較了凌力爾特超級(jí)電容器充電器系列的器件,。

　　結(jié)論

　　目前，超級(jí)電容器正用于一度由電池主導(dǎo)的應(yīng)用中,。最初的應(yīng)用是小電流,，不過(guò)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)步，超級(jí)電容器現(xiàn)在已經(jīng)用于消費(fèi)類和非消費(fèi)類市場(chǎng)上多種中到大功率的應(yīng)用,。超級(jí)電容器與電池相比有很多固有的優(yōu)點(diǎn),，如可提供較高的峰值功率、較長(zhǎng)的周期壽命以及較小的外形尺寸,。不過(guò),，采用超級(jí)電容器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師面臨很多問(wèn)題，如需要容量平衡以及潛在的超級(jí)電容器過(guò)壓損壞,。