超级电容器的应用背景与优势以及设计挑战 - 全文

背景

超级电容器一直用于常规电容器和电池之间的专门市场，随着更多新应用的发现，这一专门市场也在不断增长。在数据存储应用中，超级电容器正在取代电池，这类应用由于突然断接问题，需要中到大电流 / 短持续时间的备份电源和电池备份。具体应用包括 3.3V 内存备份固态硬盘 (SSD)、电池供电的便携式工业和医疗设备、工业警报器以及智能功率计。

与电池相比，超级电容器能提供更大的峰值功率，具有更小的外形尺寸，在更宽的工作温度范围内具有更长的充电周期寿命，还具有更低的等效串联电阻 (ESR)，可提供更高的功率密度。与标准陶瓷、钽或电解质电容器相比，超级电容器以类似的外形尺寸和重量，提供更高的能量密度。通过降低超级电容器的 Top-Off 电压，并避开高温 (>50°C)，可以最大限度地延长超级电容器的寿命。下表 1 比较了超级电容器、电容器和电池的关键特点。

表 1：超级电容器、电容器和电池的比较
 

总结：超级电容器与电池的比较

•    电池：
•    高能量密度
•    中等的功率密度
•    温度较低时具很高的 ESR

•     超级电容器：
•    中等的能量密度
•    高的功率密度
•    低 ESR  ──  即使在低温情况 (-20°C 与 25°C 相比，约增大 2 倍)

•    超级电容器的限制：
•     每节的最高电压限制为 2.5V 或 2.75V
•    在叠置应用中，必须补偿漏电流之差
•    在高充电电压和高温时，寿命迅速缩短

较早一代的两节超级电容器充电器设计是为用于从 3.3V、3xAA 或锂离子 / 聚合物电池以低电流充电。然而，超级电容器技术的改进使市场得以扩大，因此出现了中到大电流应用机会，这类应用未必限定在消费类产品领域内。主要应用包括固态硬盘和海量存储备份系统、工业用 PDA 和手持式终端等便携式大电流电子设备、数据记录仪、仪表、医疗设备以及各种各样“濒临电源崩溃”的工业应用 (例如安全设备和警报系统)。其他消费类应用包括那些具大功率突发的应用，例如相机中的 LED 闪光灯、PCMCIA 卡和 GPRS / GSM 收发器、以及便携式设备中的硬盘驱动器 (HDD)。

超级电容器的设计挑战

超级电容器有很多优点，不过，当两个或更多电容器串联叠置使用时，就给设计师带来了各种问题，例如容量平衡、充电时电容过压损坏、过度吸取电流、以及大的解决方案占板面积。如果频繁需要大的突发峰值功率，那么也许需要较大的充电电流。此外，很多充电电源可能是电流受限的，例如，在电池缓冲器应用或在 USB / PCCARD 环境中。就空间受限和较大功率的便携式电子设备而言，能够解决这些问题是至关重要的。

通过 IC 的反向传导一般会引起灾难性事件。诸如串联整流二极管等外部解决办法效率不是很高，因为压降很大。肖特基二极管的正向压降较小，因此可实现较高的系统效率，但是比常规二极管昂贵。另一方面，场效应管 (FET) 提供了低导通电阻和极低的损耗。内部的 FET 控制电源通路 (PowerPath™) 电路是解决这个问题的好办法，可避免可能导致损坏的结果。倘若输入突然降至低于输出，那么凭借电源通路控制，这类 IC 的控制器可以快速彻底地断开内部 FET，以防止发生从输出返回到输入电源的反向传导。