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2A超級(jí)電容器充電器平衡和保護(hù)便攜式應(yīng)用
超級(jí)電容器在傳統(tǒng)電容器和電池之間開(kāi)拓了一個(gè)新興市場(chǎng)。它們正在取代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中的電池，這類(lèi)應(yīng)用需要大電流/持續(xù)時(shí)間短的備份電源，超級(jí)電容器也正用于各種高峰值功率應(yīng)用，而這類(lèi)應(yīng)用需要大的電流突發(fā)或補(bǔ)充性電池備份。與電池相比，超級(jí)電容器具有提供更高峰值功率的能力，因此提供了更高的功率密度，而且它們外形尺寸小，在更寬的工作溫度范圍內(nèi)有更長(zhǎng)的充電周期壽命且具有更低的ESR。與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比，超級(jí)電容器的外形尺寸和重量與其類(lèi)似，但能量密度更高。通過(guò)降低超級(jí)電容器的Top-Off電壓并避免高溫(>50°C)，可zui大限度地延長(zhǎng)電容器的壽命。
上一代的兩節(jié)超級(jí)電容器充電器是為用3.3V、3節(jié)AA或鋰離子/聚合物電池實(shí)現(xiàn)小電流充電而設(shè)計(jì)的，因?yàn)檫@些IC采用升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不過(guò)，超級(jí)電容器技術(shù)的改進(jìn)已經(jīng)擴(kuò)大了市場(chǎng)，產(chǎn)生了很多未必局限在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域的中到較大型電流應(yīng)用。主要應(yīng)用包括固態(tài)盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和海量存儲(chǔ)備份系統(tǒng)，涵蓋工業(yè)PDA和手持終端、數(shù)據(jù)記錄儀、儀表、醫(yī)療設(shè)備等大電流便攜式電子設(shè)備，以及各種“dying gasp”型工業(yè)應(yīng)用，例如安防設(shè)備和報(bào)警系統(tǒng)。其他消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品應(yīng)用包括那些有大功率突發(fā)的應(yīng)用，如相機(jī)中的LED閃光燈、PCMCIA卡和GPRS/GSM收發(fā)器，以及便攜式設(shè)備中的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(HDD)。
超級(jí)電容器充電器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
超級(jí)電容器有很多優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)，當(dāng)兩個(gè)或更多電容器串聯(lián)疊置時(shí)，就給設(shè)計(jì)師帶來(lái)了諸如容量平衡、充電時(shí)電容器過(guò)壓損壞、吸取過(guò)大電流、大占板面積/解決方案等問(wèn)題。如果需要頻繁的大峰值功率突發(fā)，那么也許需要較大的充電電流。此外，很多充電電源也許是電流受限的，例如，在電池緩沖器應(yīng)用中或在USB/PCCARD環(huán)境中。就空間受限、較大功率的便攜式電子設(shè)備而言，應(yīng)對(duì)這些情況至關(guān)重要。
使串聯(lián)連接的超級(jí)電容器達(dá)到容量平衡，可確保每節(jié)電容器上的電壓近似相等，而超級(jí)電容器如果缺乏容量平衡，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓損壞。就小電流應(yīng)用而言，充電泵采用給每節(jié)電容器配一個(gè)平衡電阻器的外部電路，這是一種不算昂貴而又可解決這個(gè)問(wèn)題的辦法。正如下面說(shuō)明的那樣，平衡電阻器的值將主要取決于電容器的漏電流。為了限制平衡電阻器引起的漏電流對(duì)超級(jí)電容器能量存儲(chǔ)的影響，設(shè)計(jì)師還可以選擇使用一個(gè)電流非常小的有源平衡電路。容量失配的另一個(gè)原因是漏電流不同。電容器的漏電流開(kāi)始時(shí)相當(dāng)高，然后隨時(shí)間推移衰減到較低的值。但是如果串聯(lián)電容器之間的漏電流失配，那么電容器可能一開(kāi)始再充電就會(huì)過(guò)壓，除非設(shè)計(jì)師選擇可在每個(gè)電容器上提供比電容器漏電流本身大得多的負(fù)載電流的平衡電阻器。平衡電阻器導(dǎo)致不必要的成份和*性放電電流，加重了應(yīng)用電路的負(fù)擔(dān)。如果失配的電容器以大電流充電，它們也無(wú)法為每節(jié)電容器提供過(guò)壓保護(hù)。
就中到較大功率應(yīng)用而言，另一個(gè)可解決超級(jí)電容器充電問(wèn)題而且不算昂貴的方法是，采用一個(gè)電流受限的開(kāi)關(guān)加分立器件和外部無(wú)源組件。采用這種方法時(shí)，電流受限的開(kāi)關(guān)提供了充電電流和電流限制，同時(shí)電壓基準(zhǔn)和比較器 IC 提供電壓箝位，zui后，具平衡電阻器的運(yùn)放(吸收/供應(yīng))實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的容量平衡。然而，鎮(zhèn)流電阻器的值越低，靜態(tài)電流越高，電池運(yùn)行時(shí)間越短，顯然的好處是節(jié)省了費(fèi)用。不過(guò)，這種解決方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常笨重，而且性能充其量也就是略微好一點(diǎn)。
上述滿(mǎn)足超級(jí)電容器充電器IC設(shè)計(jì)限制的任何解決方案都必須與一個(gè)大電流充電器相結(jié)合，以用于具自動(dòng)容量平衡和電壓箝位的兩節(jié)串聯(lián)超級(jí)電容器。因此，凌力爾特公司開(kāi)發(fā)了一款面向中到大功率應(yīng)用的簡(jiǎn)單但*的單片超級(jí)電容器充電器IC，該IC無(wú)需電感器、無(wú)需平衡電阻器、有各種工作模式并具有低靜態(tài)電流。
一種簡(jiǎn)單的解決方案
LTC4425是凌力爾特的兩節(jié)超級(jí)電容器充電器系列的新器件，用于在便攜式和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中滿(mǎn)足大峰值功率、數(shù)據(jù)備份和“dying gasp”需求。該器件采用具熱量限制的線性恒定電流、恒定電壓架構(gòu)，用鋰離子/聚合物電池、USB 端口或2.7V至5.5V電流受限電源將兩節(jié)串聯(lián)的超級(jí)電容器充電至可編程的輸出電壓。LTC4425有兩種工作模式：充電電流曲線(正常)模式和LDO模式。充電電流曲線模式用隨輸入至輸出壓差反向變化的充電電流，將超級(jí)電容器組中的頂端電容器充電至輸入電壓 VIN，而LDO模式以固定充電電流將，電容器組中的頂端電容器充電至外部設(shè)定的輸出電壓，該固定充電電流也是外部可編程的。充電電流可用電阻器編程至2A(3A峰值)，而且每個(gè)電容器都受到內(nèi)部分路器保護(hù)以免過(guò)壓損壞(2.45V/2.7V 可選)。該IC內(nèi)置的電流受限的理想二極管具有極低的50mΩ導(dǎo)通電阻，以防止VIN向后驅(qū)動(dòng)，并使該器件適合于多種大峰值功率電池及USB供電設(shè)備、工業(yè)PDA、便攜式儀表和監(jiān)視設(shè)備、功率計(jì)、超級(jí)電容器備份電路以及PC卡/USB調(diào)制解調(diào)器。
LTC4425的自動(dòng)容量平衡功能保持兩節(jié)電容器有相等的電壓，從而無(wú)需容量平衡電阻器，同時(shí)保護(hù)每節(jié)超級(jí)電容器免受過(guò)壓損壞，并zui大限度地降低電容器上的漏電流。當(dāng)輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，該IC以非常低的20uA靜態(tài)電流工作，而且停機(jī)時(shí)僅從VIN和VOUT兩者之中較高的一個(gè)吸取2uA電流。基本充電電路僅需要6個(gè)外部組件，是非常緊湊的。其他關(guān)鍵特點(diǎn)包括一個(gè)VIN電源失效指示器以及通過(guò)PROG引腳連續(xù)監(jiān)視VIN至VOUT的電流。額外的保護(hù)功能包括：在溫度過(guò)高情況下降低充電電流和熱量限制，以及VIN至VOUT電流限制。
LTC4425采用兩種緊湊、耐熱增強(qiáng)型封裝：12 引線、扁平(高度僅為0.75mm)3mm x 3mm DFN封裝，以及12 引線MSOP封裝。該器件在-40°C至125°C結(jié)溫范圍內(nèi)工作。
LDO 模式
在LDO模式時(shí)，通過(guò)FB引腳用一個(gè)外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定輸出電壓(VOUT)，該分壓器網(wǎng)絡(luò)由RFB1和RFB2組成，而充電電流通過(guò)PROG引腳用一個(gè)外部電阻器RPROG設(shè)定，參見(jiàn)圖2所示方框圖。充電器控制電路由一個(gè)恒流放大器和一個(gè)恒壓放大器組成。當(dāng)啟動(dòng)該IC以給一個(gè)已放電的超級(jí)電容器組充電時(shí)，zui初恒流放大器起控制作用，并伺服PROG引腳電壓至1V。通過(guò)PROG電阻器的電流乘以約為1,000 的檢測(cè)MOSFET(MPSNS)和功率MOSFET(MPSW)之比，為超級(jí)電容器組充電。當(dāng)輸出電壓VOUT接近設(shè)定值時(shí)，恒定電壓放大器接管控制權(quán)，而且如果有必要?jiǎng)t減少充電電流，以保持FB引腳電壓等于一個(gè)1.2V的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。因?yàn)镻ROG引腳電流始終約為充電電流的1/1,000，所以 PROG引腳電壓持續(xù)指示實(shí)際充電電流，即使在恒定電壓放大器起控制作用時(shí)也是如此。
充電電流曲線(正常)模式
當(dāng)FB引腳短路到輸入電壓VIN時(shí)，LTC4425進(jìn)入充電電流曲線模式。在這種工作模式時(shí)，恒定電壓放大器從內(nèi)部禁止，但是充電電流仍然通過(guò)外部RPROG電阻器設(shè)定。如果輸入至輸出電壓差(VIN –VOUT)超過(guò) 750mV，那么充電器提供的電流是設(shè)定充電電流的1/10，以限制芯片內(nèi)的功耗。當(dāng)VOUT在250mV以?xún)?nèi)或較接近VIN時(shí)，隨著這個(gè)電壓差從750mV開(kāi)始下降，充電電流線性增大至其滿(mǎn)設(shè)定值。當(dāng)VOUT進(jìn)一步上升時(shí)，充電器FET兩端的電壓變得太低，以至于無(wú)法支持滿(mǎn)充電電流。因此充電電流逐步降低，充電器FET進(jìn)入三極管(符合歐姆定律的)工作區(qū)(參見(jiàn)圖 3)。既然充電器FET RDS(ON)近似為50mΩ，那么在設(shè)定充電電流為2A時(shí)，F(xiàn)ET將進(jìn)入符合歐姆定律的歐姆區(qū)(三極管)，且當(dāng)VOUT與VIN相差約100mV以?xún)?nèi)時(shí)，充電電流將開(kāi)始下降。
電壓箝位電路
LTC4425配備的電路可將超級(jí)電容器組中兩個(gè)超級(jí)電容器兩端的電壓限制到zui高可允許電壓VCLAMP。有兩個(gè)通過(guò)SEL引腳可選的VCLAMP預(yù)置電壓：2.45V或2.7V。就較低的2.45V VCLAMP電壓而言，SEL引腳應(yīng)該設(shè)定為邏輯低電平，而對(duì)于較高的2.7V VCLAMP電壓，該引腳則應(yīng)設(shè)為邏輯高電平。如果底端電容器兩端的電壓(即VMID引腳電壓)先達(dá)到了VCLAMP，那么NMOS并聯(lián)晶體管就接通，并開(kāi)始從底端的電容器向地泄放電荷。類(lèi)似情況，如果頂端電容器兩端的電壓(VTOP)先達(dá)到VCLAMP，那么PMOS并聯(lián)晶體管就接通，并開(kāi)始從頂端的電容器向底端的電容器泄放電荷。
當(dāng)任一超級(jí)電容器兩端的電壓達(dá)到與VCLAMP相差50mV以?xún)?nèi)時(shí)，互導(dǎo)放大器就開(kāi)始線性地降低充電電流。到任一并聯(lián)器件接通時(shí)，充電電流降至設(shè)定值的1/10，而且只要該并聯(lián)器件接通，就保持這個(gè)值不變。這是為了防止并聯(lián)器件被過(guò)大的熱量損壞?？刂撇⒙?lián)器件的比較器有50mV的遲滯，這意味著，當(dāng)任一電容器兩端的電壓降低50mV時(shí)，并聯(lián)器件斷開(kāi)，并以滿(mǎn)充電電流恢復(fù)正常充電，除非受到另一個(gè)控制充電器FET柵極放大器的限制。如果兩個(gè)電容器都超過(guò)它們的zui大可允許電壓VCLAMP，那么主充電器FET*關(guān)斷，而且兩個(gè)并聯(lián)器件都接通。兩個(gè)并聯(lián)器件實(shí)際上是電流反射鏡，保證分走比通過(guò)充電器FET的電流更大的電流。