超級電容器帶來了哪些設(shè)計挑戰(zhàn)？

備用電源解決方案之前僅限于任務關(guān)鍵型設(shè)備，但現(xiàn)在工業(yè)、商業(yè)和消費類最終產(chǎn)品中廣泛的電子應用都需要備用電源。雖然有幾種選擇，但使用超級電容器可實現(xiàn)外形最緊湊、能量最密集的解決方案，作為市電中斷時的蓄能裝置。例如，當市電中斷或更換電池時。

然而，超級電容器帶來了設(shè)計挑戰(zhàn)，因為每個超級電容器最高只能提供 2.7 V 的電壓。這可能意味著向 5 V 電源軌提供穩(wěn)壓電源就需要多個超級電容器，且每個電容器都有相關(guān)的電池平衡和升壓或降壓轉(zhuǎn)換器。這就形成一個復雜而細微的電路，相對昂貴且需要更多的電路板空間。

本文將比較電池和超級電容器，解釋為什么后者為緊湊型低電壓電子應用帶來了若干技術(shù)優(yōu)勢。本文隨后解釋如何設(shè)計一種簡單而巧妙的解決方案，只用一個電容器結(jié)合一個可逆降壓/升壓轉(zhuǎn)換器為 5 V 電源軌供電。

電池與超級電容器

現(xiàn)代電子設(shè)備是否能提供令人滿意的用戶體驗，不間斷電源已成一個關(guān)鍵因素。如果沒有恒定電源，電子產(chǎn)品不僅會停止工作，而且還可能丟失重要信息。例如，如果發(fā)生停電，連接到市電的個人電腦將失去保存在其易失性 RAM 中的數(shù)據(jù)?；蛘弋斠葝u素泵在更換電池時，可能會丟失易失性存儲器中重要的血糖讀數(shù)。

防止這種情況發(fā)生的一種方法是采用備用電池，首先用來蓄能，然后在市電故障時釋放電能。鋰離子 (Li-ion) 電池是一項成熟的技術(shù)，其能量密度非常高，可以相對較緊湊的電池體積實現(xiàn)長時間提供備用電源。

但無論其基本化學成分如何，所有電池都有各自的顯著特征，在某些情況下可能會導致問題。例如，電池都相對較重，需要相對較長充電時間（如果經(jīng)常停電，這可能就是問題），充電次數(shù)有限（會增加維護成本）以及所使用的化學品可能會危及安全和環(huán)境。

備用電源的另一種解決方案是采用超級電容器。超級電容器的學名為電雙層電容器 (EDLC)。這種器件由電化學性能穩(wěn)定的、具有正負極的對稱碳電極構(gòu)成。這些電極由絕緣離子滲透分離器隔開，這種分離器內(nèi)置于充滿有機鹽/電解質(zhì)溶劑的容器中。電解液旨在最大限度地提高離子導電性和電極潤濕性。高表面積活性炭電極與極小的電荷分離相結(jié)合，使得超級電容器的電容遠遠高于傳統(tǒng)電容器（圖 1）。

圖 1：超級電容器使用對稱的正負碳電極，并通過浸泡在電解液中的絕緣離子滲透分離器將電極隔開。大表面積電極和極小的電荷分離相結(jié)合導致了高電容。（圖片源：Maxwell Technologies）

電荷在電解液的可逆吸附作用下以靜電方式存儲到大表面積碳電極上。在電極/電解液界面的極化作用下發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生同名雙層。這種機制高度可逆，使得超級電容器能夠經(jīng)受數(shù)十萬次充放電，盡管隨著時間的推移，電容值會出現(xiàn)一些減少。

由于依靠靜電機制來儲存電能，超級電容器的電氣性能比電池更可預測，而且所采用的結(jié)構(gòu)材料使其更可靠，不易受溫度變化的影響。在安全方面，超級電容器中的揮發(fā)性材料比電池少，并且可以完全放電，實現(xiàn)安全運輸。

超級電容器優(yōu)于二次電池的另一個方面是充電速度更快，且不會發(fā)生過度充電。因此，在首次故障后不久電源再次消失時，即可投入備用電源。超級電容器還擁有更多的充電周期，從而降低了維護成本。

此外，超級電容器具有比電池高得多的功率密度（用于衡量單位時間內(nèi)可以存儲或輸送多少功率）。這不僅確?？焖俪潆?，而且還允許在需要時進行大電流猝發(fā)，使得超級電容器能在更多的應用中用作備用電源（圖 2）。此外，超級電容器的有效串聯(lián)電阻 (ESR) 比電池低得多。這允許超級電容器能夠更有效地提供電源，而無過熱危險。超級電容器的功率轉(zhuǎn)換效率通常大于 98%。

圖 2：可充電電池可以在適當?shù)?a href="http://srfitnesspt.com/tags/電流/" target="_blank">電流下長期供電，但需要很長時間來充電。相反，超級電容器以大電流快速放電，也可快速充電。（圖片源：Maxwell Technologies）

與可充電電池相比，超級電容器的主要缺點是其能量密度相對較低（用于衡量每單位體積內(nèi)存儲的電能）。當今鋰離子電池技術(shù)的蓄能是同體積超級電容器的 20 倍。隨著采用新材料不斷地對超級電容器進行改進，這一差距正在縮小，但這可能在未來許多年內(nèi)仍然很顯著。超級電容器的另一個顯著的缺點是其成本高于鋰離子電池。

超級電容器的設(shè)計注意事項

如果某種電子產(chǎn)品要依靠超級電容器作為備用電源，那么設(shè)計者必須了解如何選擇最佳組件，以實現(xiàn)可靠的蓄能、輸送并延長使用壽命。

在數(shù)據(jù)表中核實溫度對電容和電阻的影響，這是首要核實事項之一。良好的設(shè)計做法是，選擇一個能在終端產(chǎn)品的預期工作溫度范圍內(nèi)變化很小的器件，且在需要備用電源時，能夠提供穩(wěn)定的電壓并有效地輸送電能。

超級電容器的壽命主要由工作電壓和溫度的綜合影響來決定（圖 3）。超級電容器很少發(fā)生災難性故障。相反，超級電容器的電容和內(nèi)阻會隨著時間的推移而發(fā)生變化并逐漸降低性能，直到該元件不能夠滿足最終產(chǎn)品的規(guī)范要求。性能下降通常在最終產(chǎn)品壽命的開始階段比較大，并隨著最終產(chǎn)品的老化而逐漸減少。

圖 3：較高溫度和所施加的電壓會縮短超級電容器的壽命。（圖片來源：Elcap，CC0，通過 Wikimedia Commons，由作者修改）

當用作備用電源時，超級電容器將長期保持在工作電壓下，只會偶爾需要釋放其儲存的電能。這最終會影響性能。數(shù)據(jù)表會給出在典型工作電壓和不同溫度下，電容隨時間的下降情況。例如，一個超級電容器在 25?C 溫度下在 88,000 小時（10 年）內(nèi)保持 2.5 V 的電壓，其電容可能減少 15%，內(nèi)阻增加 40%。在為使用壽命較長的最終產(chǎn)品設(shè)計備用電源時，應考慮這種性能下降。

電容器的時間常數(shù)是指電容器達到滿充的 63.2% 或放電至滿充的 36.8% 時所需的時間。超級電容器的時間常數(shù)約為 1 秒，這比電解電容短得多。由于這個時間常數(shù)很短，設(shè)計者應確保備用電源超級電容器不會受到連續(xù)紋波電流的影響，否則會導致?lián)p壞。

超級電容器可以在 0 V 和其最大額定容量之間工作。雖然在最寬的電壓范圍內(nèi)工作時，可以有效利用超級電容器的有效能量和存儲的電能，但大多數(shù)電子元件都有最低電壓閾值。這種最低電壓要求限制了可從電容器中獲取的電能。

例如，儲存在電容器中的能量為 E = ?CV2。從這個關(guān)系中可以計算出，如果系統(tǒng)在電容器額定電壓的一半下運行（例如從 2.7 V 到 1.35 V），可以獲得大約 75% 的有效電能。

使用多個超級電容器時的設(shè)計挑戰(zhàn)

雖然超級電容器的優(yōu)勢使其適合為廣泛的電子產(chǎn)品提供備用電源，但設(shè)計者必須警惕由此帶來的設(shè)計挑戰(zhàn)。對于沒有經(jīng)驗的工程師來說，實現(xiàn)備用電源電路可能是一項重要的工作。關(guān)鍵復雜性在于，商用超級電容器的額定電壓約為 2.7 V，因此要向典型的 5 V 電源軌供電時，必須將兩個超級電容器串聯(lián)（圖 4）。

圖 4：商用超級電容器的額定電壓約為 2.7 V，因此要向典型的 5 V 電源軌供電時，必須將兩個超級電容器串聯(lián)。（圖片源：Maxim Integrated）

雖然這個工作解決方案令人滿意，但由于需要進行主動或被動式電池平衡，因此會增大成本和復雜性。由于電容容差、不同的泄漏電流和不同的 ESR，兩個或更多名義上相同且滿充的電容器電壓可能不同。這種電壓不平衡會導致備用電路中的一個超級電容器提供的電壓高于另外一個。隨著溫度的升高和/或超級電容器的老化，這種電壓不平衡會增加，會使一個超級電容器的電壓超過該設(shè)備的額定電壓閾值并影響運行壽命。

對于低占空比應用來說，通常是在每節(jié)電池上并聯(lián)一個旁路電阻其來實現(xiàn)單節(jié)電池平衡。選擇旁路電容器的電阻值時，應使得任何電流都會高于超級電容器的泄漏電流。這種技術(shù)有效地確保了超級電容器之間的等效并聯(lián)電阻的任何變化都可以忽略不計。例如，如果備用電路中超級電容器的平均泄漏電流為 10 μA，一個 1% 電阻器將允許 100 μA 的旁路電流，將平均泄漏電流提高到 110 μA。這樣，該電阻器能夠有效地將超級電容器之間的泄漏電流變化從百分之幾十降低到只有百分之幾。

在所有并聯(lián)電阻器匹配良好的情況下，任何具有較高電壓的超級電容器將通過其并聯(lián)電阻，以高于較低電壓超級電容器的速度放電。這使得總電壓均勻地分配到全部串聯(lián)的超級電容器上。對于高負載應用，需要進行更復雜的超級電容器平衡。

使用單個超級電容器實現(xiàn) 5 V 電源

如果只采用一個超級電容器而不是兩個或多個，那么備用電源電路可能不會那么復雜，所需空間也更少。此類布局無需對超級電容器進行平衡。然而，單個超級電容器的 2.7 V 輸出需要通過升壓穩(wěn)壓器來提高，從而形成足夠的電壓來克服二極管壓降，為系統(tǒng)提供 5 V 電壓。超級電容器通過充電裝置充電，需要時可通過升壓轉(zhuǎn)換器放電。二極管允許主電源或超級電容器為系統(tǒng)提供電源（圖 5）。

圖 5：在備用電源電路中使用單個超級電容器無需進行電池平衡，但需要通過升壓穩(wěn)壓器來提升超級電容器的輸出電壓。（圖片源：Maxim Integrated）

更巧妙的解決方案是使用單個電容器，并輔以專門的電壓轉(zhuǎn)換器，如 Maxim Integrated 的 MAX38888 或 MAX38889 可逆降壓升壓穩(wěn)壓器。前者提供 2.5 V 至 5 V 和高達 2.5 A 的輸出，而后者提供 2.5 V 至 5.5、3A 輸出（圖 6）。

圖 6：當用于超級電容器電源備用電路時，MAX38889（或 MAX38888）可逆穩(wěn)壓器無需單獨的充電器、升壓器件及二極管。（圖片源：Maxim Integrated）

MAX38889 是一款靈活的儲能電容器或電容器組備用穩(wěn)壓器，可在超級電容器和系統(tǒng)電源軌之間有效地傳輸電能。當市電存在且其電壓高于最低閾值系統(tǒng)的電源電壓時，穩(wěn)壓器在充電模式下工作，并以最大 3 A 峰值電流、1.5 A 平均電感電流為超級電容器充電。超級電容器在作為備用電源運行前需要達到滿充狀態(tài)。超級電容器在充電后，電路僅消耗 4 μA 電流，同時保持超級電容器處于就緒狀態(tài)。

當移除主電源時，穩(wěn)壓器會在設(shè)定的最高可達 3 A 的電感峰值電流下，將超級電容器電壓提升到所需的系統(tǒng)電壓，以防止系統(tǒng)下降到設(shè)定的系統(tǒng)備用工作電壓以下。可逆穩(wěn)壓器可以保持運行，直至超級電容器電源電壓僅為 0.5 V，從而最大限度地利用儲存的電能。

備用時間的長短取決于超級電容器的電能儲備和系統(tǒng)功耗。Maxim Integrated 產(chǎn)品的特點是可以通過單個 2.7 V 超級電容器獲得最大的備用電源，同時由于不需要單獨的充電器、升壓裝置以及二極管，因此減少了電路的元器件的數(shù)量。

結(jié)語

在如那些需要頻繁更換電池的具體應用中，超級電容器相比二次電池具有若干優(yōu)勢，可用作備用電源。與可充電電池相比，超級電容器充電速度更快，可頻繁重復使用且功率密度更高。然而，在尋求支持典型的 5 V 電源時，其最大 2.7 V 輸出帶來了一些設(shè)計挑戰(zhàn)。

如圖所示，可逆降壓/升壓穩(wěn)壓器提供了一種巧妙的解決方案，它允許單個超級電容器支持 5 V 線路，同時最大限度地減少所需的空間和組件的數(shù)量。