2A超级电容器充电器平衡和保护便携式应用中的超级电容器

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作者:凌力尔特公司电源产品部高级产品市场工程师 Steve Knoth

背景
 
超级电容器在传统电容器和电池之间开拓了一个缝隙市场。它们正在取代数据存储应用中的电池,这类应用需要大电流/持续时间短的备份电源,超级电容器也正用于各种高峰值功率应用,而这类应用需要大的电流突发或补充性电池备份。与电池相比,超级电容器具有提供更高峰值功率的能力,因此提供了更高的功率密度,而且它们外形尺寸小、在更宽的工作温度范围内有更长的充电周期寿命且具有更低的 ESR。与标准陶瓷、钽或电解质电容器相比,超级电容器的外形尺寸和重量与其类似,但提供更高的能量密度。通过降低超级电容器的 Top-Off 电压,并避免高温 (>50°C),可最大限度地延长电容器的寿命。
 
 
1:超级电容器、普通电容器及电池的比较

参数
超级电容器
普通电容器
电池
能量存储
-秒能量
-秒能量
-小时能量
充电方法
横越两端的电压
(即用电池)
横越两端的电压
(即用电池)
电流和电压
功率提供
快速放电,线性或指数电压衰减
快速放电,线性或指数电压衰减
在长时间内保持恒定电压
充电/放电时间
毫秒至秒
皮秒至毫秒
1 10 小时
外形尺寸
小到大
重量
1g2g
1g 10kg
1g>10kg
能量密度
1 5Wh/kg
0.01 0.05Wh/kg
8 600Wh/kg
功率密度
高,>4000W/kg
高,>5000W/kg
低,100-3000W/kg
工作电压
2.3V 2.75V (每节)
6V 800V
1.2V 4.2V (每节)
寿命
>10万个周期
>10万个周期
150 1500 个周期
工作温度
-40 +85°C
-20 +100°C
-20 +65°C

 
 
小结超级电容器与电池的比较:

         电池:
          高能量密度
          适度的功率密度
          在低温时具有大的等效串联电阻 (ESR)
 
          超级电容器:
           适度的能量密度
           高功率密度
           低 ESR (甚至在低温时)
 (从 -20°C 增至 25°C 时约提高 2 倍)
 
         超级电容器的限制:
           每节最大值限制为 2.5V 或 2.75V
           在叠置式应用中必须补偿漏电流之差
           在大的充电电压和高温时,寿命缩短得更快
 
 
较早一代两节超级电容器充电器是为用 3.3V、3 节 AA 或锂离子/聚合物电池实现小电流充电而设计的,因为这些 IC 采用升压型拓扑。不过,超级电容器技术的改进已经使市场扩大了,产生了很多未必局限在消费电子产品领域的中到较大电流的应用。主要应用包括固态盘驱动器和海量存储备份系统、工业 PDA 和便利易用的终端等大电流便携式电子设备、数据记录仪、仪表、医疗设备、以及各种“谨守最后一刻”的工业应用 (例如: 保安设备和报警系统)。其他消费类电子产品应用包括那些具大功率突发的应用,如相机中的 LED 闪光灯、PCMCIA 卡和 GPRS/GSM 收发器以及便携式设备中的硬盘驱动器 (HDD)。
 
 
超级电容器充电器的设计挑战
 
超级电容器有很多优点,不过,当两个或更多电容器串联叠置时,就给设计师带来了诸如容量平衡、充电时电容器过压损坏、吸取过大电流、大占板面积/解决方案等问题。如果需要频繁的大峰值功率突发,那么也许需要较大的充电电流。此外,很多充电电源也许是电流受限的,例如,在电池缓冲器应用中或在 USB/PCCARD 环境中。就空间受限、较大功率的便携式电子设备而言,应对这些情况至关重要。
 
使串联连接的超级电容器达到容量平衡,可确保每节电容器上的电压近似相等,而超级电容器如果缺乏容量平衡,可能会导致过压损坏。就小电流应用而言,充电泵采用给每节电容器配一个平衡电阻器的外部电路,这是一种不算昂贵而又可解决这个问题的办法。正如下面说明的那样,平衡电阻器的值将主要取决于电容器的漏电流。为了限制平衡电阻器引起的漏电流对超级电容器能量存储的影响,设计师还可以选择使用一个电流非常小的有源平衡电路。容量失配的另一个原因是漏电流不同。电容器的漏电流开始时相当高,然后随时间推移衰减到较低的值。但是如果串联电容器之间的漏电流失配,那么电容器可能一开始再充电就会过压,除非设计师选择可在每个电容器上提供比电容器漏电流本身大得多的负载电流的平衡电阻器。平衡电阻器导致不必要的成份和永久性放电电流,加重了应用电路的负担。如果失配的电容器以大电流充电,它们也不为每节电容器提供过压保护。
 
就中到较大功率应用而言,另一个可解决超级电容器充电问题而且不算昂贵的方法是,采用一个电流受限的开关加分立器件和外部无源组件。采用这种方法时,电流受限的开关提供了充电电流和电流限制,同时电压基准和比较器 IC 提供电压箝位,最后,具平衡电阻器的运放 (吸收/供应) 实现超级电容器的容量平衡。然而,镇流电阻器的值越低,静态电流越高,电池运行时间越短,显然的好处是节省了费用。不过,这种解决方案实现起来非常笨重,而且性能充其量也就是略微好一点。
 
上述满足超级电容器充电器 IC 设计限制的任何解决方案都必须与一个大电流充电器相结合,以用于具自动容量平衡和电压箝位的两节串联超级电容器。因此,凌力尔特公司开发了一款面向中到大功率应用的简单但先进的单片超级电容器充电器 IC,该 IC 无需电感器、无需平衡电阻器、有各种工作模式并具有低静态电流。
 
 
一种简单的解决方案
 
LTC4425 是凌力尔特的两节超级电容器充电器系列的新器件,用于在便携式和数据存储应用中满足大峰值功率、数据备份和“谨守最后一刻” 应用的需求。该器件采用具热量限制的线性恒定电流、恒定电压架构,用锂离子/聚合物电池、USB 端口或 2.7V 至 5.5V 电流受限电源将两节串联的超级电容器充电至可编程的输出电压。LTC4425 有两种工作模式:充电电流曲线 (通常) 模式和 LDO 模式。充电电流曲线模式用随输入至输出压差反向变化的充电电流,将超级电容器组中的顶端电容器充电至输入电压 VIN,而 LDO 模式以固定充电电流将电容器组中的顶端电容器充电至外部设定的输出电压,该固定充电电流也是外部可编程的。充电电流可用电阻器编程至 2A (3A 峰值),而且每个电容器都受到内部分路器保护以免过压损坏 (2.45V/2.7V 可选)。该 IC 内置的电流受限的理想二极管具有极低的 50mΩ 导通电阻,以防止 VIN 向后驱动,并使该器件适合于多种大峰值功率电池及 USB 供电设备、工业 PDA、便携式仪表和监视设备、功率计、超级电容器备份电路以及 PC 卡/USB 调制解调器。
 
LTC4425 的自动容量平衡功能保持两节电容器有相等的电压,从而无需容量平衡电阻器,同时保护每节超级电容器免受过压损坏,并最大限度地降低电容器上的漏电流。当输出电压处于稳定状态时,该 IC 以非常低的 20uA 静态电流工作,而且停机时仅从 VIN 和 VOUT 两者之中较高的一个吸取 2uA 电流。基本充电电路仅需要 6 个外部组件,是非常紧凑的。其他关键特点包括一个 VIN 电源失效指示器以及通过 PROG 引脚连续监视 VIN 至 VOUT 的电流。额外的保护功能包括:在温度过高情况下降低充电电流和热量限制;VIN 至 VOUT 电流限制。
 
LTC4425 采用两种紧凑、耐热增强型封装:12 引线、扁平 (高度仅为 0.75mm) 3mm x 3mm DFN 封装;12 引线 MSOP 封装。该器件在 -40°C 至 125°C 结温范围内工作。
 
 
 
 
1LTC4425 方框图/应用电路
Li-Ion:锂离子电池
FROM:来自
TO HIGH PEAK POWER LOAD:至大峰值功率负载
 
 
LDO 模式
 
在 LDO 模式时,通过 FB 引脚用一个外部电阻分压器网络设定输出电压 (VOUT),该分压器网络由 RFB1 和 RFB2 组成,而充电电流通过 PROG 引脚用一个外部电阻器 RPROG 设定。参见图 2 中所示的方框图。充电器控制电路由一个恒定电流放大器和一个恒定电压放大器组成。当启动该 IC 以给一个已放电的超级电容器组充电时,最初恒定电流放大器起控制作用,并伺服 PROG 引脚电压至 1V。通过 PROG 电阻器的电流乘以约为 1,000 的检测 MOSFET (MPSNS) 和功率 MOSFET (MPSW) 之比,以给超级电容器组充电。当输出电压 VOUT 接近设定值时,恒定电压放大器接管控制权,而且如果有必要则减少充电电流,以保持 FB 引脚电压等于一个 1.2V 的内部基准电压。因为 PROG 引脚电流始终约为充电电流的 1/1,000,所以 PROG 引脚电压持续指示实际充电电流,即使在恒定电压放大器起控制作用时也是如此。
 
 
 
 
2LTC4425 方框图
 
BANDGAP REFERENCE:带隙基准
IDEAL DIODE CONTROLLER:理想二极管控制器
CHARGE CURRENT PROFILE GENERATOR:充电电流曲线发生器
CHARGE CURRENT:充电电流
CONSTANT-VOLTAGE/CONSTATN-CURRENT/CONSTANT-TEMPERATURE CHARGER CIRCUITRY:恒定电压/恒定电流/恒定温度充电器电路
VOLTAGE CLAMP CIRCUITRY:电压箝位电路
LEAKAGE BALLANCER:漏电流平衡器
COMPARATOR:比较器
PGOOD COMPARATORPGOOD比较器
OSCILLATOR:振荡器
TIMER:定时器
CHARGER ENABLE:充电器使能
 
 
 
充电电流曲线 (通常) 模式
 
当 FB 引脚短路到输入电压 VIN 时,LTC4425 进入充电电流曲线模式。在这种工作模式时,恒定电压放大器从内部禁止,但是充电电流仍然通过外部 RPROG 电阻器设定。如果输入至输出电压差 (VIN – VOUT) 超过 750mV,那么充电器提供的电流是设定充电电流的 1/10, 以限制芯片内的功耗。当 VOUT 在 250mV 以内或较接近 VIN 时,随着这个电压差从 750mV 开始下降,充电电流线性增大至其满设定值。当 VOUT 进一步上升时,充电器 FET 两端的电压变得太低,以至于无法支持满充电电流。因此充电电流逐步降低,充电器 FET 进入三极管 (符合欧姆定律的) 工作区 (参见图 3)。既然充电器 FET RDS(ON) 近似为 50mΩ,那么在设定充电电流为 2A 时,FET 将进入符合欧姆定律欧姆的 (三极管) 区,且当 VOUT 与 VIN 相差约100mV 以内时,充电电流将开始下降。                                         
 
 
 
3LTC4425 充电电流与电压差
 
IDEAL DIODE CONTROL REGION:理想二极管控制区
CHARGE CURRENT:充电电流
OHMIC REGION符合欧姆定律的的区
FULL CHARGE CURRENT REGION:满充电电流区
LINEAR CHARGE CURRENT REGION:线性充电电流区
1/10 CHARGE CURRENT REGION1/10 充电电流区
 
 
电压箝位电路
 
LTC4425 配备的电路可将超级电容器组中两个超级电容器两端的电压限制到最高可允许电压 VCLAMP。有两个通过 SEL 引脚可选的 VCLAMP 预置电压:2.45V 2.7V。就较低的 2.45V VCLAMP 电压而言,SEL 引脚应该设定为逻辑低电平,而对于较高的 2.7V VCLAMP 电压,该引脚则应设为逻辑高电平。如果底端电容器两端的电压 ( VMID 引脚电压) 先达到了 VCLAMP,那么 NMOS 并联晶体管就接通,并开始从底端的电容器向地泄放电荷。类似地,如果顶端电容器两端的电压(VTOP)先达到 VCLAMP,那么 PMOS 并联晶体管就接通,并开始从顶端的电容器向底端的电容器泄放电荷。
 
当任一超级电容器两端的电压达到与 VCLAMP 相差 50mV 以内时,互导放大器就开始线性地降低充电电流。到任一并联器件接通时,充电电流降至设定值的 1/10,而且只要该并联器件接通,就保持这个值不变。这是为了防止并联器件被过大的热量损坏。控制并联器件的比较器有 50mV 的迟滞,这意味着,当任一电容器两端的电压降低 50mV 时,并联器件断开,并以满充电电流恢复正常充电,除非受到另一个控制充电器 FET 栅极放大器的限制。如果两个电容器都超过它们的最大可允许电压 VCLAMP,那么主充电器 FET 完全关断,而且两个并联器件都接通。两个并联器件实际上是电流反射镜,保证分走比通过充电器 FET 的电流更大的电流。
 
 
漏电流平衡电路
 
LTC4425 还配备了一个内部漏电流平衡放大器 (LBA),该放大器使中点 ( VMID 引脚) 电压准确地等于输出电压 VOUT 的一半。由于其受限的 1mA 供应和吸收能力,它被设计成用来处理由漏电流引起的超级电容器的轻微失配,而不是用来纠正由缺陷引起的任何严重失配。只要有输入电压存在,平衡器就工作。有了该内部平衡器,就无需外部平衡电阻器了。
 
2 比较了凌力尔特超级电容器充电器系列的器件。
 
 
2:凌力尔特超级电容器充电器比较

制造商
凌力尔特
凌力尔特
型号
LTC4425
LTC3225/-1
拓扑
线性充电器
W/50mΩ
理想二极管
充电泵
输入电压范围
2.7V 5.5V
2.8V 5.5V
最大充电电流
2A连续
3A峰值
150mA
Iq
20uA
20uA
超级电容器每节电压
稳定/限制
每节2.45V/2.7V
(最高 Top-Off 电压 4.9V/5.4V)
LTC3225-1
每节 2V/2.25V
(最高 Top-Off 电压 4V/4.5V)
LTC3225
每节 2.4V/2.65V
(最高 Top-Off 电压 4.8V/5.3V)
最大超级电容器值
无限制
无限制
自动容量平衡
LDO 模式
有,调节可编程 Vout
通常模式
将电容器电压充电至 Vin,如果必要,将其箝位到 4.9V/5.4V
调节到固定的电容器电压
Vin 功率下降指示器
/PFO 引脚
Vout 电流监视
PROG 引脚
PGood
/PFO 引脚
保护
电流限制,
热量限制,
热量 SD
反向电流
电流限制,
热量限制
反向电流
最少的外部组件数
两个 (CinRprog)
3 (CinCflyRprog)
封装
3 x 3 DFN-12
MSOP-12
2 x 3 DFN-10

 
 
结论
 
目前,超级电容器正用一度由电池主导的应用中。最初的应用是小电流,不过技术已经进步,超级电容器现在已经用于消费类和非消费类市场上多种中到大功率的应用。超级电容器与电池相比有很多固有的优点,如可提供较高的峰值功率、较长的周期寿命以及较小的外形尺寸。不过,采用超级电容器的产品设计师面临很多问题,如需要容量平衡以及潜在的超级电容器过压损坏。凌力尔特公司通过扩充创新的超级电容器充电器 IC 系列,已经满足了这些以及其他一些需求。LTC4425 是一款 2A 线性充电器,该器件具自动容量平衡、电压箝位、各种工作模式以及小电流消耗。要构成一个可比较的解决方案,至少需要 4 IC (一个电流受限的开关用于电流限制、一个运放和电阻值很大的平衡电阻器用于低 Iq 自动容量平衡以及一个电压基准和比较器 IC 用于调节和限制超级电容器电压) 和一些无源分立组件。LTC4425 具有小占板面积,有很多有用的功能,从而减小了总的解决方案尺寸,反过来又实现了更紧凑、更简单的设计。