背景

　　凌力爾特公司 （Linear Technology Corporation） 推出兩節(jié)超級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,，該器件將超級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)生過大的熱量。LDO 模式將超級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）,，而且每個電容器都通過內(nèi)部并聯(lián) （可選 2.45V/2.7V） 而受到保護(hù),，以防過壓。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,，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,、超級電容器備份電路以及 PC 卡/USB 調(diào)制解調(diào)器,。

表 1：超級電容器、普通電容器及電池的比較

　　超級電容器（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,，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學(xué)元件,，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次,。超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(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,，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負(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

　　在低溫時具有大的等效串聯(lián)電阻 （ESR）

　　超級電容器：

　　適度的能量密度

　　高功率密度

　　低 ESR （甚至在低溫時）

　　（從 -20°C 增至 25°C 時約提高 2 倍）

　　超級電容器的限制：

　　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,，壽命縮短得更快

　　較早一代兩節(jié)超級電容器充電器是為用 3.3V,、3 節(jié) AA 或鋰離子/聚合物電池實現(xiàn)小電流充電而設(shè)計的，因為這些 IC 采用升壓型拓?fù)?。不過,，超級電容器技術(shù)的改進(jìn)已經(jīng)使市場擴(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)動器和海量存儲備份系統(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 。

　　超級電容器充電器的設(shè)計挑戰(zhàn)

　　超級電容器有很多優(yōu)點(diǎn),，不過,，當(dāng)兩個或更多電容器串聯(lián)疊置時，就給設(shè)計師帶來了諸如容量平衡,、充電時電容器過壓損壞,、吸取過大電流、大占板面積/解決方案等問題,。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)對這些情況至關(guān)重要,。

　　使串聯(lián)連接的超級電容器達(dá)到容量平衡,，可確保每節(jié)電容器上的電壓近似相等，而超級電容器如果缺乏容量平衡,，可能會導(dǎo)致過壓損壞,。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問題的辦法,。正如下面說明的那樣，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始再充電就會過壓，除非設(shè)計師選擇可在每個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)電容器提供過壓保護(hù),。

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

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

　　一種簡單的解決方案

　　LTC4425 的自動能量平衡功能保持兩節(jié)超級電容器有相等的電壓,，從而無需用于平衡的電阻器，同時保護(hù)每節(jié)超級電容器免受過壓損壞,，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，該 IC 以非常低的 20uA 靜態(tài)電流運(yùn)行,，而在停機(jī)時僅從 VIN 或 VOUT （視哪一個電壓較高） 吸取 2uA 電流,。基本充電電路僅需要 6 個外部組件,，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 VIN 電源故障指示器以及通過 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,，該限制可在溫度過高的情況下降低充電電流。

　　LTC4425 是凌力爾特的兩節(jié)超級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）,，而且每個電容器都受到內(nèi)部分路器保護(hù)以免過壓損壞 。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,，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、超級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，通過 FB 引腳用一個外部電阻分壓器網(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 PROG 引腳用一個外部電阻器 RPROG 設(shè)定。參見圖 2 中所示的方框圖,。充電器控制電路由一個恒定電流放大器和一個恒定電壓放大器組成,。當(dāng)啟動該 IC 以給一個已放電的超級電容器組充電時,，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 PROG 電阻器的電流乘以約為 1,000 的檢測 MOSFET （MPSNS） 和功率 MOSFET （MPSW） 之比,，以給超級電容器組充電。當(dāng)輸出電壓 VOUT 接近設(shè)定值時,，恒定電壓放大器接管控制權(quán),，而且如果有必要則減少充電電流，以保持 FB 引腳電壓等于一個 1.2V 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓,。因為 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)指示實際充電電流，即使在恒定電壓放大器起控制作用時也是如此,。

　　充電電流曲線 （通常） 模式

　　當(dāng) FB 引腳短路到輸入電壓 VIN 時,，LTC4425 進(jìn)入充電電流曲線模式。在這種工作模式時,，恒定電壓放大器從內(nèi)部禁止,，但是充電電流仍然通過外部 RPROG 電阻器設(shè)定。如果輸入至輸出電壓差 （VIN  – VOUT） 超過 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,，充電器 FET 兩端的電壓變得太低,，以至于無法支持滿充電電流。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,，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,，充電電流將開始下降,。

　　電壓箝位電路

　　LTC4425 配備的電路可將超級電容器組中兩個超級電容器兩端的電壓限制到最高可允許電壓 VCLAMP。有兩個通過 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)任一超級電容器兩端的電壓達(dá)到與 VCLAMP 相差 50mV 以內(nèi)時，互導(dǎo)放大器就開始線性地降低充電電流,。到任一并聯(lián)器件接通時,，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,，就保持這個值不變,。這是為了防止并聯(lián)器件被過大的熱量損壞?？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,，并聯(lián)器件斷開,，并以滿充電電流恢復(fù)正常充電，除非受到另一個控制充電器 FET 柵極放大器的限制,。如果兩個電容器都超過它們的最大可允許電壓 VCLAMP,，那么主充電器 FET 完全關(guān)斷，而且兩個并聯(lián)器件都接通,。兩個并聯(lián)器件實際上是電流反射鏡,，保證分走比通過充電器 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)計成用來處理由漏電流引起的超級電容器的輕微失配,，而不是用來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,，就無需外部平衡電阻器了。

　　表 2 比較了凌力爾特超級電容器充電器系列的器件,。

　　結(jié)論

　　目前,，超級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,，不過技術(shù)已經(jīng)進(jìn)步,，超級電容器現(xiàn)在已經(jīng)用于消費(fèi)類和非消費(fèi)類市場上多種中到大功率的應(yīng)用。超級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,、較長的周期壽命以及較小的外形尺寸。不過,，采用超級電容器的產(chǎn)品設(shè)計師面臨很多問題,，如需要容量平衡以及潛在的超級電容器過壓損壞,。