LTC3225為超級(jí)電容器提供了緊湊、低噪聲的解決方案

超級(jí)電容器（或超級(jí)電容器）正在越來越多地進(jìn)入短期儲(chǔ)能應(yīng)用和需要間歇性高能脈沖的應(yīng)用。其中一種應(yīng)用是電源穿越電路，其中備用能源在主電源短時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障時(shí)切斷并為負(fù)載供電。過去，這種類型的應(yīng)用一直由電池主導(dǎo)，但雙電層電容器（EDLC）正在迅速取得進(jìn)展，因?yàn)樗鼈兊拿糠ɡ瓋r(jià)格、尺寸和每電容有效串聯(lián)電阻（ESR/C）不斷下降。

在電源穿越應(yīng)用中，串聯(lián)堆疊電容器必須充電并平衡電池電壓。超級(jí)電容在需要時(shí)切換到電源路徑，負(fù)載的電源由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制。LTC?3225 超級(jí)電容器充電器具有許多特性，使其成為電源穿越應(yīng)用的理想選擇。該器件采用小型 10 引腳 3mm × 3mm DFN 封裝，具有可編程充電電流、自動(dòng)電池電壓平衡、超級(jí)電容器上的低漏極電流和正在申請(qǐng)專利的低噪聲恒流充電器。

超級(jí)電容器特性

超級(jí)電容器有多種尺寸，例如 10F/2.7V 超級(jí)電容器采用 10mm × 30mm 2 端子徑向罐，ESR 為 25mΩ，而 350F/2.5V 超級(jí)電容器 ESR 為 1.6mΩ，采用 D 電池外形。超級(jí)電容器相對(duì)于電池的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是使用壽命長(zhǎng)。電容器的循環(huán)壽命被引用為大于 500，000 次循環(huán);電池的額定循環(huán)次數(shù)只有幾百次。這使得超級(jí)電容器成為理想的“一勞永逸”設(shè)備，幾乎不需要維護(hù)。

超級(jí)電容器的兩個(gè)對(duì)應(yīng)用至關(guān)重要的參數(shù)是電池電壓和初始漏電流。初始漏電流用詞不當(dāng)，因?yàn)槌跏悸╇娏鲗?shí)際上是介電吸收電流，一段時(shí)間后消失。超級(jí)電容器的制造商在施加電壓100小時(shí)后對(duì)其泄漏電流進(jìn)行評(píng)級(jí)，而前100小時(shí)內(nèi)的初始泄漏電流可能高達(dá)指定泄漏電流的50倍。

電容器兩端的電壓對(duì)其工作壽命有重大影響。串聯(lián)使用時(shí)，超級(jí)電容器必須具有平衡的電池電壓，以防止其中一個(gè)串聯(lián)電容器過度充電。無源電池平衡，即在電容器上放置一個(gè)電阻器，是一種流行且簡(jiǎn)單的技術(shù)。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是，當(dāng)充電電路被禁用時(shí)，電容器通過平衡電阻放電。該方案的經(jīng)驗(yàn)法則是將平衡電阻設(shè)置為最壞情況下漏電流的50倍，估計(jì)為2μA/Farad?？紤]到這些參數(shù)，10F、2.5V超級(jí)電容器需要一個(gè)2.5k平衡電阻。當(dāng)充電電路被禁用時(shí)，該電阻將從超級(jí)電容器消耗1mA電流。

另一種方法是使用一個(gè)非耗散性有源電池平衡電路（例如 LTC3225）來維持電池電壓。LTC3225 在停機(jī)模式中向超級(jí)電容器提供小于 4μA 的負(fù)載，而在輸入電源被移除時(shí)則小于 1μA。LTC3225 具有一個(gè)高達(dá) 150mA 的可編程充電電流，可將兩個(gè)串聯(lián)超級(jí)電容器充電至 4.8V 或 5.3V，同時(shí)平衡電容器上的電壓。

動(dòng)力穿越應(yīng)用

為了向負(fù)載提供恒定電壓，負(fù)載和超級(jí)電容器之間需要一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器。隨著超級(jí)電容器兩端電壓的降低，DC/DC轉(zhuǎn)換器吸收的電流增加，以保持負(fù)載的恒定功率。當(dāng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓達(dá)到最小工作電壓 （V紫外線).

為了估計(jì)對(duì)超級(jí)電容器的要求，有效電路電阻（RT）需要確定。RT是電容器的ESR和電路分布電阻的總和。

假設(shè)當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器處于最小工作電壓時(shí)，有效電路電阻損失了10%的輸入功率，則最壞情況RT是

在DC/DC轉(zhuǎn)換器的欠壓鎖定閾值處，超級(jí)電容器兩端所需的電壓為;

然后可以根據(jù)所需的穿越時(shí)間（T室溫），以及電容器上的初始電壓 （VC（0）） 和 VC（紫外線）.

串聯(lián)電容器組的有效電容是單個(gè)電容器的有效電容除以電容器數(shù)量，而總ESR是所有串聯(lián)ESR的總和。

超級(jí)電容器的ESR隨著頻率的升高而降低。制造商通常指定 ESR 為 1kHz，而一些制造商則同時(shí)公布直流和 1kHz 時(shí)的 ESR 值。超級(jí)電容器的電容也隨著頻率的增加而降低，通常在直流時(shí)指定。1kHz時(shí)的電容約為直流時(shí)電容值的10%。在供電數(shù)秒至數(shù)分鐘的穿越應(yīng)用中使用超級(jí)電容器時(shí)，請(qǐng)使用低頻（如0.3Hz）的有效電容和ESR測(cè)量值。

應(yīng)用

圖1顯示了兩個(gè)串聯(lián)的10F、2.7V超級(jí)電容器，充電至4.8V，可承受20W的功率。LTC3225 用于以 150mA 電流為超級(jí)電容器充電并保持電池平衡，而 LTC4412 則提供了一種自動(dòng)切換功能。LTM4616 雙輸出開關(guān)模式 μModule DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 1.8V 和 1.2V 輸出。

圖1.5V 電源穿越應(yīng)用

圖 2 示出了一款 12V 電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用 10 個(gè) 2F、7.3225V 超級(jí)電容器串聯(lián)充電，由 4 個(gè)設(shè)置為 8.150V 的 LTC3225 充電，充電電流為 5mA。三個(gè) LTC1737 由 LT4355 反激式控制器產(chǎn)生的三個(gè) 4601V 浮動(dòng)輸出供電。六個(gè)超級(jí)電容器堆棧的輸出通過 LTC1 雙通道理想二極管控制器以二極管 OR 布置進(jìn)行設(shè)置。LTM8A μModule DC/DC 穩(wěn)壓器可從 OR 輸出產(chǎn)生 11.4355V/1A 輸出。在此應(yīng)用中，LTC10 的 MON8 設(shè)定為 <>.<>V。

圖2.12V 電源穿越應(yīng)用

結(jié)論

超級(jí)電容器滿足了電源穿越應(yīng)用的需求，其中時(shí)間要求在幾秒鐘到幾分鐘的范圍內(nèi)。與電池相比，電容器具有長(zhǎng)壽命、低維護(hù)、重量輕和環(huán)保的解決方案。為此，LTC3225 為充電和電池平衡串聯(lián)的超級(jí)電容器提供了一種緊湊、低噪聲的解決方案。

審核編輯：郭婷