為什么MOSFET是自動平衡超級電容器泄漏的最佳選擇

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在將超級電容器用于能量收集、辦公自動化、備份系統(tǒng)等領(lǐng)域的一系列新產(chǎn)品。這些超級電容器電池提供高效的存儲，可以根據(jù)需要快速釋放能量。為確保最佳性能和較長的產(chǎn)品生命周期，必須平衡超級電容器的電壓。如果由于電池之間的泄漏電流差異而出現(xiàn)不平衡，則可能會觸發(fā)能量消耗，從而導(dǎo)致超級電容器電池過早失效。

超級電容器，也稱為超級電容器，可為關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)保護(hù)和電池備份應(yīng)用提供高功率、快速充電和放電、峰值功率削減和備用電源功能。它們正在成為電力需求不超過 30 秒的應(yīng)用的流行選擇。

超級電容器也在提高能量密度的標(biāo)準(zhǔn)。隨著電池逐漸增加功率密度，它們可以更有效地緩沖和儲存能量——從而最大限度地提高能量收集工作。

問題是：每個超級電容器在電容、內(nèi)阻和漏電流方面都有容差。這可能會造成電池電壓的不平衡。必須平衡超級電容器，以確保電壓不超過超級電容器的最大額定電壓。

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇同一制造商的超級電容器，以確保初始電池電壓值落入相似的范圍內(nèi)。其次，必須對由單個電池中的漏電流引起的任何電池電壓不平衡進(jìn)行補(bǔ)償。

有兩種用于調(diào)節(jié)超級電容器電池電壓的平衡方法：主動式和被動式。在被動平衡方法中使用低阻值電阻。這種方法會消耗功率并且不會對溫度變化做出響應(yīng)。主動平衡技術(shù)通過運(yùn)算放大器 (op-amps) 或使用 MOSFET 的電流平衡來實(shí)現(xiàn)。

以下是超級電容器串聯(lián)堆疊的兩種情況。第一種情況是具有自動平衡功能的超級電容器，第二種情況是沒有自動平衡功能的超級電容器。這兩種設(shè)計(jì)方案之間的差異將證明需要一種能夠自動糾正變化漏電流影響的平衡方法。

沒有自動平衡的超級電容器

漏電流會導(dǎo)致電壓不平衡和功耗。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須補(bǔ)償每個超級電容器單元的泄漏電流。否則，如果超壓長時(shí)間超過電池的額定電壓，超級電容器的使用壽命可能會縮短甚至永久損壞。

下圖(圖 1)顯示了兩個超級電容器在沒有自動平衡機(jī)制的幫助下串聯(lián)。它描述了泄漏電流如何隨差分電壓上下移動。如果不平衡，此問題可能會因過壓效應(yīng)而導(dǎo)致故障。

圖 1：兩個超級電容器串聯(lián)連接的視圖，沒有自動平衡機(jī)制。

圖 1 說明在 2.3 V 時(shí)，上超級電容器的漏電流為 1.6 μA，而下超級電容器的漏電流為 0.8 μA。如果這兩個超級電容器不能平衡和均衡泄漏電流，則下部超級電容器可能會由于電壓過高而永久失效。

具有自動平衡功能的超級電容器

圖 2 說明了 MOSFETS 如何通過降低超級電容器的工作偏置電壓來平衡超級電容器，從而平衡電路的功耗。

圖 2：兩個串聯(lián)的超級電容器使用 MOSFET 芯片實(shí)現(xiàn)出色的自動平衡。

沒有自動平衡的超級電容器，由上面的水平虛線表示，隨后會由于過壓而損壞電池。水平實(shí)線表示使用 MOSFET 器件的電流平衡操作。當(dāng) MOSFET 跨接在陣列中的超級電容器上時(shí)，由另一個超級電容器的漏電流引起的電壓小幅上升會導(dǎo)致該 MOSFET 的導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) )大幅下降。這會導(dǎo)致超級電容器的電流升高，從而降低電壓。

自動平衡原理利用 MOSFET 器件的自然閾值特性。在閾值電壓下，MOSFET 開啟并開始傳導(dǎo)電流。該功能可確保 MOSFET 芯片幾乎沒有或沒有額外的泄漏電流。

圖 2 還顯示了運(yùn)算放大器電壓平衡方法如何迫使兩個超級電容器單元在 2.3 V 的中點(diǎn)處達(dá)到相同的電壓。但是，這樣做時(shí)，兩個單元會消耗一些功率。如果兩個電池的電容沒有充分平衡，則會導(dǎo)致額外的功率消耗。因此，在與運(yùn)算放大器進(jìn)行自動平衡的過程中存在大量能源浪費(fèi)。此外，運(yùn)算放大器通過其電路網(wǎng)絡(luò)自行耗散功率。

與運(yùn)算放大器不同，如果兩個電池的電容值不匹配，可能會導(dǎo)致功率損失，MOSFET 可通過互補(bǔ)的相反電流水平實(shí)現(xiàn)自然的電池平衡。

另外，圖2中的超級電容電芯1和超級電容電芯2是可以互換的。因此，不知道哪一個的漏電流更大。一些電流來自 MOSFET 本身，而不是超級電容器單元 2。

基于 MOSFET 的漏電流平衡機(jī)制是完全自動化的，幾乎適用于所有超級電容器。這種自動平衡技術(shù)不需要額外的電流消耗，并且可以根據(jù)溫度、時(shí)間和環(huán)境變化自動調(diào)整。

從 MOSFET 到電路板

即插即用印刷電路板 (PCB) 可以安裝 MOSFET，自動平衡超級電容器單元的漏電流和電壓。單個 MOSFET 或多個 MOSFET 可以安裝在超級電容器自動平衡 (SAB) PCB 上，以自動平衡超級電容器單元。

圖 3：SABMB2 板的框圖，尺寸為 0.6 × 1 英寸，用于超級電容器自動平衡。

例如，ALD 的即插即用 SAB PCB 可用于原型設(shè)計(jì)或生產(chǎn)設(shè)計(jì)。這些板可以級聯(lián)以形成串聯(lián)鏈，范圍從兩個到數(shù)百個，用于平衡超級電容器堆棧。

審核編輯：湯梓紅