在電子工程領域，許多工程師在采用超級電容作為瞬?；蛲ｋ妭浞莘桨笗r，常常會面臨一系列控制難題，例如 “如何高效管理超級電容” 以及 “設計時需注意哪些關鍵點” 等。本文將深入探討超級電容器在應用中的挑戰(zhàn)，并詳細介紹 ADI 的大電流超級電容器后備電源控制器「LTC3350」的三大優(yōu)勢。
超級電容器在工廠和數(shù)據(jù)中心的瞬停備份電源方面有著廣泛的應用。它具有充電速度比電池快、并且能釋放大量能量的顯著優(yōu)勢。然而，由于其能量密度較低，并不適合長期供電，作為備用電源，它更適用于幾秒到幾十秒的供電場景。以下是主要儲能元件的對比（表 1）：
| 儲能元件 | 特點 |
|---|
| 超級電容器 | 充電快、可瞬間釋放大量能量，但能量密度低，適合短時間供電 |
| 電池 | 能量密度高，適合長時間供電，但充電速度慢 |
表 1 主要儲能元件對比表
超級電容器在控制方面面臨著諸多挑戰(zhàn)：
- 延長備份時間：確保有足夠的備份時間以防止重要數(shù)據(jù)丟失，這對于數(shù)據(jù)中心等關鍵應用尤為重要。
- 延長超級電容器的壽命：由于超級電容器的壽命會因使用條件而異，因此適當?shù)目刂坪凸芾碇陵P重要。
- 減少充電時間：以便始終提供備用電源，確保系統(tǒng)在停電時能夠迅速啟動。
ADI 的后備電源控制器 LTC3350 可以有效解決這些問題，并充分發(fā)揮超級電容器的優(yōu)勢。接下來，我們將詳細介紹它的功能和特點。
ADI LTC3350 是一款功能強大的后備電源控制器，它能夠?qū)σ粋€含有 1 至 4 個超級電容器的串聯(lián)堆棧進行充電和監(jiān)視。通過獨有的升壓模式，可限度地提高有限功率并延長備份時間。以下分別是 LTC3350 的產(chǎn)品圖（圖 1）和產(chǎn)品框圖（圖 2）：
圖 1 LTC3350 產(chǎn)品圖
LTC3350 在充 / 放電時具有獨特的動作特點，具體行為如圖 3 所示：
圖 3 LTC3350 充 / 放電動作示意圖
- 充電時：通過降壓轉(zhuǎn)換器為超級電容器充電。
- 放電時：當電源切斷時，它由超級電容器供電。此時，有以下兩個系統(tǒng)：
- 當 Vcap > Vout 時，直接導通 FET 供電：只要超級電容器電壓（Vcap）高于輸出電壓（Vout），就可以繼續(xù)供電。
- 當 Vcap < Vout 時，升壓和供電：當超級電容器電壓（Vcap）低于輸出電壓（Vout）時，它會自動切換到升壓模式以保持所需的電壓。
典型的備份控制器只有電路（a）。由于電壓不變，當超級電容器的電壓下降時，受電設備所需的電壓無法維持，電源停止。而 LTC3350 在電壓下降時會自動切換到升壓模式 [電路（b）]，以保持所需的電壓。通過這種方式延長備份時間，工程師可以充分利用充電的電量。圖 4 展示了放電時 LTC3350 的工作狀態(tài)：
圖 4 LTC3350 在放電時的工作狀態(tài)
LTC3350 在放電時的優(yōu)勢在于，它是一款高電壓同步整流轉(zhuǎn)換器，因此具有以下兩個優(yōu)點：
- 高效率（備份時間更長）：能夠更有效地利用超級電容器的能量，延長備份時間。
- 小型化（只需一個轉(zhuǎn)換器即可）：減少了電路的復雜度和體積。
圖 5 LTC3350 在放電時的優(yōu)勢
- 電壓平衡器功能
電壓平衡器功能可根據(jù)多個超級電容器之間的充電變化進行調(diào)整。當連接的超級電容器之間的電壓差超過 10mV 時，電阻平衡器放電并調(diào)整充電狀態(tài)。這是電池管理系統(tǒng)中的常見功能，但在超級電容器控制器中并不常見，可以串聯(lián)四個超級電容器的控制器本身也很少見，這也是 LTC3350 的特點之一。如圖 6 所示，當任一 SCAP 的電壓差超過 10mV 時，將通過電阻平衡器進行放電，直至電壓差降至 10mV 以內(nèi)（放電電流為 10mA）：
圖 6 SCAP 的電壓差超過 10mV 時，LTC3350 的工作狀態(tài)
為什么需要的電壓調(diào)節(jié)呢？在使用多個超級電容器時，理想狀態(tài)是所有電容器都能均勻充電，但實際充電狀態(tài)會出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。如果不檢查變化，一些超級電容器將處于充電不足狀態(tài)，從而導致備份時間縮短。為了延長備份時間，電壓調(diào)節(jié)至關重要。
圖 7 超級電容器電壓調(diào)節(jié)的重要性
電容器中存儲的能量 E 由下列公式給出：E = 1/2CV2，電壓越高，要存儲的能量就越大。降低電壓具有延長電容器使用壽命的優(yōu)點。另一方面，提前完成充電的超級電容器會因過充而導致壽命縮短。此外，超級電容器具有 “如果在低于額定電壓的電壓下使用，可以延長其壽命” 的特性。延長超級電容器的壽命，關鍵在于控制電壓。
圖 8 超級電容器的壽命特性
使用電阻分壓器存在一些挑戰(zhàn)：
- 如果分壓電阻較大，超級電容器的內(nèi)部電阻就會占主導地位，導致電壓均衡困難。
- 如果分壓器電阻較小，放電時會浪費電力，導致備份時間縮短。
通過使用電壓平衡器功能，可以避免上述問題，實現(xiàn)順暢的電壓調(diào)節(jié)。另一種方法是使用分壓器電阻器來對齊每個 SCAP 的電壓。實際的電阻分量 = R4 // R (variable) 。
如果 R4 大，R (variable) 占主導地位，每個電壓未對齊；如果 R4 小，放電時浪費的功率會增加。
圖 9 分壓電阻法實現(xiàn)超級電容電壓均衡的電路示意圖
- 并聯(lián)穩(wěn)壓器功能
并聯(lián)穩(wěn)壓器功能是指，當超級電容器充電完成后，能夠向充電不足的超級電容器提供 500mA 的旁路電流的功能。因為每個電容器的容量并不完全相同，因此在充電過程中，會出現(xiàn)充電速度快和充電速度慢的電容器。
圖 10 LTC3350 并聯(lián)穩(wěn)壓器功能示意圖
并聯(lián)穩(wěn)壓器的優(yōu)勢在于，超級電容器的容量和充電速度存在個體差異，充電完成的時間也各不相同。并聯(lián)穩(wěn)壓器功能允許將充電速度較快的超級電容器中不再需要的電流直接傳輸?shù)狡渌夒娙萜?。因此，即使超級電容器的充電水平不同，也可以在防止過度充電的同時快速調(diào)整平衡，這有助于整個系統(tǒng)的高效充電。分流電壓可以以 183.5μV 的增量進行微調(diào)。并聯(lián)穩(wěn)壓器功能有助于化延長備份時間、延長超級電容器壽命并縮短充電時間。
圖 11 鋰電池組均衡充電過程示意圖
- 監(jiān)控功能
LTC3350 內(nèi)置 14 位 ADC，可監(jiān)控超級電容器的電壓和電流。此外，還提供內(nèi)置溫度傳感器，可實時監(jiān)控外圍電路中的溫度變化和分流電流引起的溫度上升，如圖 12 所示：
圖 12 內(nèi)置溫度傳感器支持監(jiān)控由于分流電流引起的升溫
根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以測量電容和 ESR（等效串聯(lián)電阻）：
- 容量測量：根據(jù) “準確放電電流” × “放電時間” 計算。
- ESR 測量：根據(jù)反復打開和關閉充電的電壓變化計算。
這些數(shù)據(jù)存儲在 LTC3350 中，并根據(jù)需要提供，同時還提供定期警報通知，工程師可輕松了解超級電容器的狀態(tài)。
為什么需要監(jiān)控功能呢？超級電容器會隨著使用而退化，導致電容降低和 ESR 增加，這將導致備份時間縮短。如果不采取措施，將無法保證初設計的備份時間。圖 13 顯示了超級電容器的負載壽命測試的測量數(shù)據(jù)，可以看出，容量隨著時間的推移而降低，ESR 增加。
圖 13 超級電容器的壽命特性
為了保持適當?shù)膫浞輹r間，了解超級電容器的狀況并在適當?shù)臅r間更換非常重要。如果控制器沒有監(jiān)控功能，則需要一些額外的機制來實現(xiàn)這一目標。通過利用 LTC3350 的監(jiān)控功能，可以實時掌握超級電容器的狀態(tài)并適當?shù)毓芾黼娙萜鲏勖?/p>
- 數(shù)據(jù)中心瞬時停電和停電對策：在數(shù)據(jù)中心中，LTC3350 可以確保在停電時為關鍵設備提供短時間的備用電源，防止數(shù)據(jù)丟失。
- 半導體制造設備和工廠瞬時停電和停電對策：在半導體制造等對電源穩(wěn)定性要求極高的行業(yè)，LTC3350 可以保障設備在停電瞬間的正常運行，減少損失。
