在電子工程領(lǐng)域，許多工程師在采用超級(jí)電容作為瞬?；蛲ｋ妭浞莘桨笗r(shí)，常常會(huì)面臨一系列控制難題，例如 “如何高效管理超級(jí)電容” 以及 “設(shè)計(jì)時(shí)需注意哪些關(guān)鍵點(diǎn)” 等。本文將深入探討超級(jí)電容器在應(yīng)用中的挑戰(zhàn)，并詳細(xì)介紹 ADI 的大電流超級(jí)電容器后備電源控制器「LTC3350」的三大優(yōu)勢(shì)。
超級(jí)電容器在工廠和數(shù)據(jù)中心的瞬停備份電源方面有著廣泛的應(yīng)用。它具有充電速度比電池快、并且能釋放大量能量的顯著優(yōu)勢(shì)。然而，由于其能量密度較低，并不適合長(zhǎng)期供電，作為備用電源，它更適用于幾秒到幾十秒的供電場(chǎng)景。以下是主要儲(chǔ)能元件的對(duì)比（表 1）：
| 儲(chǔ)能元件 | 特點(diǎn) |
|---|
| 超級(jí)電容器 | 充電快、可瞬間釋放大量能量，但能量密度低，適合短時(shí)間供電 |
| 電池 | 能量密度高，適合長(zhǎng)時(shí)間供電，但充電速度慢 |
表 1 主要儲(chǔ)能元件對(duì)比表
超級(jí)電容器在控制方面面臨著諸多挑戰(zhàn)：
- 延長(zhǎng)備份時(shí)間：確保有足夠的備份時(shí)間以防止重要數(shù)據(jù)丟失，這對(duì)于數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵應(yīng)用尤為重要。
- 延長(zhǎng)超級(jí)電容器的壽命：由于超級(jí)電容器的壽命會(huì)因使用條件而異，因此適當(dāng)?shù)目刂坪凸芾碇陵P(guān)重要。
- 減少充電時(shí)間：以便始終提供備用電源，確保系統(tǒng)在停電時(shí)能夠迅速啟動(dòng)。
ADI 的后備電源控制器 LTC3350 可以有效解決這些問(wèn)題，并充分發(fā)揮超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)。接下來(lái)，我們將詳細(xì)介紹它的功能和特點(diǎn)。
ADI LTC3350 是一款功能強(qiáng)大的后備電源控制器，它能夠?qū)σ粋€(gè)含有 1 至 4 個(gè)超級(jí)電容器的串聯(lián)堆棧進(jìn)行充電和監(jiān)視。通過(guò)獨(dú)有的升壓模式，可限度地提高有限功率并延長(zhǎng)備份時(shí)間。以下分別是 LTC3350 的產(chǎn)品圖（圖 1）和產(chǎn)品框圖（圖 2）：
圖 1 LTC3350 產(chǎn)品圖
LTC3350 在充 / 放電時(shí)具有獨(dú)特的動(dòng)作特點(diǎn)，具體行為如圖 3 所示：
圖 3 LTC3350 充 / 放電動(dòng)作示意圖
- 充電時(shí)：通過(guò)降壓轉(zhuǎn)換器為超級(jí)電容器充電。
- 放電時(shí)：當(dāng)電源切斷時(shí)，它由超級(jí)電容器供電。此時(shí)，有以下兩個(gè)系統(tǒng)：
- 當(dāng) Vcap > Vout 時(shí)，直接導(dǎo)通 FET 供電：只要超級(jí)電容器電壓（Vcap）高于輸出電壓（Vout），就可以繼續(xù)供電。
- 當(dāng) Vcap < Vout 時(shí)，升壓和供電：當(dāng)超級(jí)電容器電壓（Vcap）低于輸出電壓（Vout）時(shí)，它會(huì)自動(dòng)切換到升壓模式以保持所需的電壓。
典型的備份控制器只有電路（a）。由于電壓不變，當(dāng)超級(jí)電容器的電壓下降時(shí)，受電設(shè)備所需的電壓無(wú)法維持，電源停止。而 LTC3350 在電壓下降時(shí)會(huì)自動(dòng)切換到升壓模式 [電路（b）]，以保持所需的電壓。通過(guò)這種方式延長(zhǎng)備份時(shí)間，工程師可以充分利用充電的電量。圖 4 展示了放電時(shí) LTC3350 的工作狀態(tài)：
圖 4 LTC3350 在放電時(shí)的工作狀態(tài)
LTC3350 在放電時(shí)的優(yōu)勢(shì)在于，它是一款高電壓同步整流轉(zhuǎn)換器，因此具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
- 高效率（備份時(shí)間更長(zhǎng)）：能夠更有效地利用超級(jí)電容器的能量，延長(zhǎng)備份時(shí)間。
- 小型化（只需一個(gè)轉(zhuǎn)換器即可）：減少了電路的復(fù)雜度和體積。
圖 5 LTC3350 在放電時(shí)的優(yōu)勢(shì)
- 電壓平衡器功能
電壓平衡器功能可根據(jù)多個(gè)超級(jí)電容器之間的充電變化進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)連接的超級(jí)電容器之間的電壓差超過(guò) 10mV 時(shí)，電阻平衡器放電并調(diào)整充電狀態(tài)。這是電池管理系統(tǒng)中的常見(jiàn)功能，但在超級(jí)電容器控制器中并不常見(jiàn)，可以串聯(lián)四個(gè)超級(jí)電容器的控制器本身也很少見(jiàn)，這也是 LTC3350 的特點(diǎn)之一。如圖 6 所示，當(dāng)任一 SCAP 的電壓差超過(guò) 10mV 時(shí)，將通過(guò)電阻平衡器進(jìn)行放電，直至電壓差降至 10mV 以內(nèi)（放電電流為 10mA）：
圖 6 SCAP 的電壓差超過(guò) 10mV 時(shí)，LTC3350 的工作狀態(tài)
為什么需要的電壓調(diào)節(jié)呢？在使用多個(gè)超級(jí)電容器時(shí)，理想狀態(tài)是所有電容器都能均勻充電，但實(shí)際充電狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。如果不檢查變化，一些超級(jí)電容器將處于充電不足狀態(tài)，從而導(dǎo)致備份時(shí)間縮短。為了延長(zhǎng)備份時(shí)間，電壓調(diào)節(jié)至關(guān)重要。
圖 7 超級(jí)電容器電壓調(diào)節(jié)的重要性
電容器中存儲(chǔ)的能量 E 由下列公式給出：E = 1/2CV2，電壓越高，要存儲(chǔ)的能量就越大。降低電壓具有延長(zhǎng)電容器使用壽命的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，提前完成充電的超級(jí)電容器會(huì)因過(guò)充而導(dǎo)致壽命縮短。此外，超級(jí)電容器具有 “如果在低于額定電壓的電壓下使用，可以延長(zhǎng)其壽命” 的特性。延長(zhǎng)超級(jí)電容器的壽命，關(guān)鍵在于控制電壓。
圖 8 超級(jí)電容器的壽命特性
使用電阻分壓器存在一些挑戰(zhàn)：
- 如果分壓電阻較大，超級(jí)電容器的內(nèi)部電阻就會(huì)占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致電壓均衡困難。
- 如果分壓器電阻較小，放電時(shí)會(huì)浪費(fèi)電力，導(dǎo)致備份時(shí)間縮短。
通過(guò)使用電壓平衡器功能，可以避免上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)順暢的電壓調(diào)節(jié)。另一種方法是使用分壓器電阻器來(lái)對(duì)齊每個(gè) SCAP 的電壓。實(shí)際的電阻分量 = R4 // R (variable) 。
如果 R4 大，R (variable) 占主導(dǎo)地位，每個(gè)電壓未對(duì)齊；如果 R4 小，放電時(shí)浪費(fèi)的功率會(huì)增加。
圖 9 分壓電阻法實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容電壓均衡的電路示意圖
- 并聯(lián)穩(wěn)壓器功能
并聯(lián)穩(wěn)壓器功能是指，當(dāng)超級(jí)電容器充電完成后，能夠向充電不足的超級(jí)電容器提供 500mA 的旁路電流的功能。因?yàn)槊總€(gè)電容器的容量并不完全相同，因此在充電過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)充電速度快和充電速度慢的電容器。
圖 10 LTC3350 并聯(lián)穩(wěn)壓器功能示意圖
并聯(lián)穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)在于，超級(jí)電容器的容量和充電速度存在個(gè)體差異，充電完成的時(shí)間也各不相同。并聯(lián)穩(wěn)壓器功能允許將充電速度較快的超級(jí)電容器中不再需要的電流直接傳輸?shù)狡渌?jí)電容器。因此，即使超級(jí)電容器的充電水平不同，也可以在防止過(guò)度充電的同時(shí)快速調(diào)整平衡，這有助于整個(gè)系統(tǒng)的高效充電。分流電壓可以以 183.5μV 的增量進(jìn)行微調(diào)。并聯(lián)穩(wěn)壓器功能有助于化延長(zhǎng)備份時(shí)間、延長(zhǎng)超級(jí)電容器壽命并縮短充電時(shí)間。
圖 11 鋰電池組均衡充電過(guò)程示意圖
- 監(jiān)控功能
LTC3350 內(nèi)置 14 位 ADC，可監(jiān)控超級(jí)電容器的電壓和電流。此外，還提供內(nèi)置溫度傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控外圍電路中的溫度變化和分流電流引起的溫度上升，如圖 12 所示：
圖 12 內(nèi)置溫度傳感器支持監(jiān)控由于分流電流引起的升溫
根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以測(cè)量電容和 ESR（等效串聯(lián)電阻）：
- 容量測(cè)量：根據(jù) “準(zhǔn)確放電電流” × “放電時(shí)間” 計(jì)算。
- ESR 測(cè)量：根據(jù)反復(fù)打開(kāi)和關(guān)閉充電的電壓變化計(jì)算。
這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 LTC3350 中，并根據(jù)需要提供，同時(shí)還提供定期警報(bào)通知，工程師可輕松了解超級(jí)電容器的狀態(tài)。
為什么需要監(jiān)控功能呢？超級(jí)電容器會(huì)隨著使用而退化，導(dǎo)致電容降低和 ESR 增加，這將導(dǎo)致備份時(shí)間縮短。如果不采取措施，將無(wú)法保證初設(shè)計(jì)的備份時(shí)間。圖 13 顯示了超級(jí)電容器的負(fù)載壽命測(cè)試的測(cè)量數(shù)據(jù)，可以看出，容量隨著時(shí)間的推移而降低，ESR 增加。
圖 13 超級(jí)電容器的壽命特性
為了保持適當(dāng)?shù)膫浞輹r(shí)間，了解超級(jí)電容器的狀況并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間更換非常重要。如果控制器沒(méi)有監(jiān)控功能，則需要一些額外的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。通過(guò)利用 LTC3350 的監(jiān)控功能，可以實(shí)時(shí)掌握超級(jí)電容器的狀態(tài)并適當(dāng)?shù)毓芾黼娙萜鲏勖?/p>
- 數(shù)據(jù)中心瞬時(shí)停電和停電對(duì)策：在數(shù)據(jù)中心中，LTC3350 可以確保在停電時(shí)為關(guān)鍵設(shè)備提供短時(shí)間的備用電源，防止數(shù)據(jù)丟失。
- 半導(dǎo)體制造設(shè)備和工廠瞬時(shí)停電和停電對(duì)策：在半導(dǎo)體制造等對(duì)電源穩(wěn)定性要求極高的行業(yè)，LTC3350 可以保障設(shè)備在停電瞬間的正常運(yùn)行，減少損失。
