對于超級電容器需要充電至2.5V或2.7V以上的應(yīng)用，工程師被迫串聯(lián)多個超級電容器，因為標準超級電容器電壓額定為2.7V，并且成本較低。本應(yīng)用筆記綜述了MAX38886/MAX38888/MAX38889備份穩(wěn)壓器串聯(lián)超級電容連接的電壓平衡技術(shù)。

介紹

超級電容器在儲能應(yīng)用中的使用正在迅速增加，例如手持工業(yè)設(shè)備、帶有可拆卸電池的便攜式設(shè)備、工業(yè)傳感器和執(zhí)行器等。當此類應(yīng)用需要比超級電容器上正常2.7V更高的電壓時，可以選擇串聯(lián)多個超級電容器。但由于電容容差、不同的漏電流和ESR，每個電容器兩端的電壓分布不均。這導(dǎo)致超級電容器之間的電壓不平衡，因為一個超級電容器電壓將比另一個超級電容器具有更大的電壓。隨著超級電容器的溫度和年齡的增加，這種電壓不平衡變得最嚴重，一個超級電容器兩端的電壓可能會增加到超過額定電壓。保持每個超級電容器的電壓平衡以確保較長的使用壽命非常重要。

MAX38886/MAX38888/MAX38889 4A/2A可逆降壓-升壓穩(wěn)壓器，用于備用電源應(yīng)用

MAX38886/MAX38888/MAX38889為存儲電容或電容組備份穩(wěn)壓器，設(shè)計用于在存儲元件和系統(tǒng)電源軌之間高效傳輸電源，采用相同電感進行可逆降壓和升壓操作。 當主電源存在且高于最小系統(tǒng)電源電壓時，穩(wěn)壓器以降壓模式工作，并以編程的峰值電感電流為存儲元件充電。當主電源被移除時，穩(wěn)壓器以升壓模式工作，防止系統(tǒng)降至最小工作電壓以下，從而以編程的峰值電感電流對存儲元件放電。

對于這項研究，我們正在考慮以下測試用例。

正常工作期間系統(tǒng)最大電壓，V.SYS= 5V.

備用操作時系統(tǒng)最小電壓，VSYS_MIN= 4.75V。

超級電容器充電操作時的最大電壓，VSC_MAX= 4.5V。

MAX38886/MAX38888/MAX38889超級電容器串聯(lián)

對于此應(yīng)用，超級電容器必須充電至4.5V，在備份期間，當實際系統(tǒng)電壓不存在時，超級電容器電壓被升壓并調(diào)節(jié)至4.75V。這種情況的應(yīng)用電路如圖1所示。

圖1.MAX38888的應(yīng)用電路

在圖1應(yīng)用電路中，超級電容器的額定電壓為2.7V，這是超級電容器的標準額定電壓。因此，我們串聯(lián)使用兩個11F超級電容器來提高額定電壓。一旦充電模式啟動并且超級電容器充電至4.5V，則測量每個電容器兩端的電壓，如表1所示。

表1顯示，頂部和底部超級電容器之間的電壓差為~97mV，該讀數(shù)是在+25°C環(huán)境溫度下獲得的。漏電流、電容和ESR隨溫度和年齡而變化。例如，本應(yīng)用電路中使用的超級電容器在+25°C環(huán)境溫度下具有6μA的漏電流，在+65°C溫度下漏電流增加到~300%。超級電容器參數(shù)的這些變化有時可能導(dǎo)致電壓不平衡的增加，并且一個電容器也可能看到大于額定電壓的電壓。從長遠來看，這也可能會損壞超級電容器或迅速降低超級電容器的使用壽命。

有幾種方法可以通過添加額外的元件來保持每個電容器上的電壓平衡。以下是一些有助于保持超級電容器兩端電壓平衡的方法。

電壓平衡方法

使用平衡電阻/無源方法進行電壓平衡。

使用運算放大器電路進行電壓平衡。

使用 SAB 自動平衡 MOSFET 陣列/有源方法進行電壓平衡。

1. 平衡電阻的電壓平衡/無源法

平衡超級電容器兩端電壓的簡單且最具成本效益的方法是在每個超級電容器上連接相同值的電阻器。由于電阻永久連接在超級電容器上，電阻中的功耗將是連續(xù)的。超級電容器連接兩端的平衡電阻如圖2所示。

圖2.使用平衡電阻進行電壓平衡。

當100k？每個超級電容器兩端使用電阻，每個超級電容器兩端的電壓測量如表2所示。

使用這種方法有一些缺點。必須選擇電阻值，使其提供顯著的電流消耗，以實現(xiàn)可接受的電壓平衡。同時，電阻值越小，超級電容器的功耗就越大。隨著超級電容器溫度和年齡的增加，漏電流也會增加，這使得電路隨著時間的推移越來越無效。如果所選電阻值非常高，則需要很長時間來平衡超級電容器電壓。

2. 使用運算放大器電路進行電壓平衡

上述使用平衡電阻的附加電路具有連續(xù)功耗和損耗。為了降低功耗并保持電壓平衡，可以使用運算放大器實現(xiàn)平衡電路。即使將高電阻值用作梯形網(wǎng)絡(luò)，該解決方案也可以提供更快的電壓平衡。

為了降低附加電路的功率損耗，選擇功耗低得多的運算放大器，如MAX4470，它需要至少750nA的超低電源電流。運算放大器的工作電壓應(yīng)高于最大超級電容電壓。可能需要一個阻尼電阻以避免異常振蕩。

圖3.使用運算放大器電路進行電壓平衡。

當超級電容器兩端的電壓不平衡時，圖3中的平衡電路將處于活動狀態(tài)。一旦每個超級電容器兩端的電壓平衡，該電路消耗的功率就會更少。因此，該電路是一種高能效的方法。我們使用的是 2 x 2.2M？超級電容器兩端的電阻接地和IC消耗的電源電流要小得多。總功耗明顯低于早期的無源方法。

使用運算放大器方法測量每個電容器兩端的電壓如表3所示。

圖4中的波形顯示了超級電容充電和運算放大器電路用于電壓平衡時的啟動行為。波形顯示 V.SYS（黃色），VCAP_TOTAL（藍色），VCAP_TOP（橙色），VCAP_BOTTOM（粉紅色）。

圖4.使用運算放大器平衡電路的超級電容器充電期間的啟動波形。

3. 基于IC的專用平衡電路

很少有專用的基于IC的超級電容器自動平衡MOSFET陣列可以用作超級電容器的有源平衡電路。這些 MOSFET 陣列提供堆疊串聯(lián)超級電容器的自平衡，同時耗散接近零的漏電流，幾乎消除了額外的功耗。串聯(lián)的堆棧受到持續(xù)監(jiān)控，并自動控制其電壓和泄漏電流的平衡。

這是一種特殊類型的 MOSFET，具有非常嚴格的柵極閾值電壓規(guī)格。設(shè)置的超級電容器電壓應(yīng)為閾值電壓的兩倍。每個電容器將充電至柵極閾值電壓。但這將是一種昂貴的電壓平衡方法，因為這些專用IC的成本更高。

無源、有源電壓平衡方法之間的比較

表4顯示了所討論的每種電壓平衡技術(shù)的總體比較。

結(jié)論

本應(yīng)用筆記討論了為什么串聯(lián)超級電容器連接需要電壓平衡，并回顧了串聯(lián)超級電容器連接的不同電壓平衡技術(shù)。比較了每種技術(shù)的性能。

審核編輯：郭婷