鉅大LARGE | 點擊量：586次 | 2021年05月12日
超級電容器電源子系統讓您的鋰電池養精蓄銳
如今手機具備越來越豐富的功能，耗電量也隨之新增。兩三年前流行的VGA成像器目前正在被具備320萬像素且配備更高電流LED閃光燈的成像器取代（有些甚至高達800萬像素）；可進行多媒體錄音的高電耗立體聲驅動器，正逐漸取代低電耗單聲道音頻驅動器。隨著3G網絡的普及，無線數據傳輸呈指數上升，這就要手機中配備更多的射頻功放來處理語音呼叫和數據流。遺憾的是，這些功能在使用時都會消耗大量的電池電流（1A+）。假如同時使用這些功能，就會導致電池電流的經常性故障，或者出現手機故障關機現象。
針對峰值電池電流出現的問題，其解決方法包括謹慎管理脈沖計時以及減少對整體性能的要求（例如限制閃光燈電流或音量大?。?。但是，這兩種解決方法都限制了手機性能的延展，因此并不被提倡。另外還有一種方法可供選擇，那就是創建一個基于超級電容器的電源子系統，而且超級電容器管理芯片能夠幫助應用程序完全復原。
目前系統面對的問題
針對鋰離子電池的電流限值（約為2A-3A），設計者必須謹慎管理系統中不同負載的電流需求分配，防止出現過電流現象。此外，當電池電壓降低并接近系統阻斷電壓時，與電池ESR相連的強電流脈沖會導致系統故障關機。
舉例來說，假如在進行LED閃光操作的同時進行GSM傳輸，那么脈沖電流的總需求量很容易超過3A（GSM傳輸為2A，LED閃光操作為1.5A）。
為了防止發生過電流現象，許多手機設計要么采用降低額定值的閃光電流，從而將輸入電流水平降低到可控水平；要么在閃光燈LED驅動器芯片中采用傳輸中斷引腳。傳輸中斷信號會在射頻功放和閃光燈驅動器之間供應一種同步機制。當射頻功放在閃光操作期間進行傳輸時，閃光中斷將啟動，從而使閃光電流降低或完全關閉。這一功能可防止電池過載。假如采用滾動快門，那么拍出的照片會出現暗線或暗部。如此看來，兩種方法都會造成照片質量下降。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖1顯示了大量脈沖負載施加到電池上出現的影響，著重顯示了電池ESR壓降以及總脈沖電池電流的量級。假設現在有一塊100mΩ的電池ESR，負載包括1.2A的LED閃光脈沖、2A的GSM傳輸脈沖和立體聲D類放大器供電，那么峰值脈沖電流可能會超過4A，并造成電池組電壓瞬間降低400mV。
圖1：大量脈沖負載施加到電池上出現的影響。
為了防止出現這種壓降，必須降低閃光電流和音頻功率，從而將峰值電流降低到系統可以承受的范圍內，此外也可采用新增電池容量的方法。而添加一個超級電容器，可以在無需新增電池容量的情況下有效提高電池的脈沖電流處理能力，同時還可協助系統實現全部功能。
什么是超級電容器？
超級電容器的準確名稱，是電化學或電雙電層電容器（具體名稱取決于制造商），簡稱EDLC。超級電容器的表現與傳統電容器（包括多層陶瓷電容器、鉭電容器、電解電容器等）相似，但能量密度更高。這是由具有極大的電荷存儲表面積的多孔炭電極與專門的電解質供應的極薄的板分離層相結合而形成的。
EDLC的電容值不適合置于超薄便攜系統（應用于氙氣閃光燈的電解電容器的典型厚度為6mm以上，與之相比，EDLC的典型厚度約為2mm-3mm）。對最大額定電壓為2.75V-2.85V的單元電容器而言，EDLC的電容值可以達到180mF-1.8F。本文將重點討論額定電壓為5.5V-5.7V（兩個單元EDLC串聯）以及電容值為425mF-550mF的雙單元EDLC。
在何處放置超級電容器？
在便攜系統中使用大電容具有很多優勢。超級電容器所在的位置會對電池供電電流出現顯著影響。
假如將超級電容器與系統電池并排放置，那么在LED閃光驅動器或射頻傳輸吸收大電流時，超級電容將有助于降低電池的峰值電流。超級電容器和電池供應的電流量與其ESR值成反比。較低的ESR（這種情況下電池和超級電容器互相組合）會出現較大的電流。超級電容器的ESR值可以低至50mΩ，而典型的鋰離子電池的ESR值為200mΩ-300mΩ。圖2的一組公式顯示了來自電池的初始電流和來自超級電容器的電流之間的比較。
圖2
隨著負載脈沖的持續新增，超級電容器的放電會使來自超級電容器的電流減少，同時使來自電池的電流新增。
采用并聯超級電容器確實有助于防止故障關機，但是這種配置也存在一些問題。為了防止損壞電池，應在電池與超級電容器之間布置某些形式的限流電路。當超級電容器完全放電之后，會呈現出對地短路，并將從電池中吸收盡可能多的電流。
圖3：共享負載可以最大限度地減少脈沖負載造成的電池ESR值的降低，從而有可能擴展電池的可用范圍。
限流電路的構建非常簡單，例如，可以通過添加串聯電阻來防止峰值電流低于電池允許的最大值，這樣做行的通，但是較大的RC時間常數會降低系統的整體效率，并影響電容器的充電時間。另一種限流電路，是將一個限流線性電壓調節器（LDO）置于超級電容器和電池之間，從而為超級電容器充電，并控制峰值電池電流。使用LDO時，由于其無法提升電池電壓，因此超級電容器的目標電壓必須始終低于電池電壓。第三種選擇（見后文）是在電池和超級電容器之間采用某些升壓變換器，形成固定的電壓軌，從而對超級電容器進行再充電，并滿足超級電容器系統的平均電流要求。
超級電容器系統
圖4中的例子采用了與圖1相同的負載配置和負載控制器，利用超級電容器充電器/控制器將電池峰值電流限制在可控水平（約500mA），并將電池ESR造成的壓降保持在50mV左右。在這個例子中，超級電容器和控制器將峰值電流和ESR壓降減少了85%以上，同時沒有削弱子系統的負載性能。
圖4
應用中對超級電容器管理芯片有什么要求？
采用雙單元超級電容器時要滿足一些采用其它電介質電容器所不要的特殊要求。EDLC管理芯片必須能夠符合這些要求，以切實保護EDLC，并控制超級電容器電源子系統。
1.超級電容器子系統管理芯片的輸入電流限值，必須與移動設備中的電池和其他系統相一致。超級電容器子系統應支持高電流脈沖負載，同時又不中斷正常的系統功能。產品設計者必須首先為不同電源域（例如基帶處理器、顯示屏）的設計制定預算。
例如，假如所用電池的電流限值為2A，并且與超級電容器無關的功能可以在任一特按時間達到1.4A，那么選擇輸入電流限值為600mA的超級電容器管理芯片就可以防止觸發電池過流保護裝置。
開關電容升壓轉換器和同步感應升壓轉換器，比異步感應升壓轉換器更適于對超級電容器進行充電。異步轉換器無法主動斷開輸出端和輸入端。假如超級電容器放電直至低于電池電壓值，并且電池連接到了系統，那么將無法限制充電電流，因為肖特基二極管開始充當導體，而電流的流動也將不受控制。同步升壓轉換器和開關電容升壓轉換器都具有內控式場效應管，可限制流入超級電容器的電流。
2.超級電容器管理芯片必須能夠在其額定輸出電流限值內處理輸出短路。電容為0.5F的超級電容器完全放電之后，就如同充電周期之初的對地短路。多數電源管理芯片都基于升壓體系（無論是感應電容器還是開關電容器），會在輸入電流限值內運行，直至電容器接近其目標輸出電壓。這就要求在啟動時管理芯片能夠耗散設備的大量功率。
例如，假如電池電壓為4.0V，管理芯片的輸入電流限值為500mA，假設超級電容器完全放電（VCAp=GND或0V），則芯片必須在最初耗散設備中的2W功率，并繼續充電過程。
隨著超級電容器電壓的升高，芯片的耗散功率將會減少。
3.子系統進入關閉狀態時，子系統管理芯片應使升壓轉換器的輸出端處于高阻態。這將防止EDLC在不使用時出現放電。
4.要為雙單元超級電容器供應一個單元電壓平衡方法，以防止每個EDLC單元出現過壓。簡單的電阻器就能用來平衡單個EDLC單元的電壓，但是會繼續吸收超級電容器的電流。首選的方法，是采用主動平衡方法，即利用放大器來驅動平衡終端，從而維持EDLC單元的平衡。有效的主動平衡方法能夠從特定的EDLC單元獲取和吸收電流，以確保每個單元上的電壓等于總輸出電壓的一半。
圖5
閃光燈
除了上文提到的優勢，采用超級電容器子系統在僅連接至電池時，能夠實現在超出閃光燈驅動器所允許的電流水平下驅動LED閃光燈陣列。根據采用的電容值以及LED的數量，閃光燈電流可以超過5A并持續33ms。在該電流水平下，LED陣列可以出現接近于氙氣閃光燈的曝光值（lx*s），解決方法更加纖薄，并支持持續的電影模式，而這點是氙氣閃光燈無法做到的。此外，LED還可以在較低電流水平下持續驅動，以支持電影模式光線，這也是氙氣燈無可比擬的。
缺點
盡管超級電容器子系統具有上述種種優勢，但是還存在一些不太理想的設計考量。首先是電容器本身的物理尺寸。盡管超級電容器比基于氙氣的解決方法更纖薄，但是一個可以處理5.5V額定操作電壓的典型超級電容器的平均高度為2mm-3mm，所占面積為360mm2-00mm2。而將該尺寸元件置于移動設備中，目前尚有一定難度。
此外，目前的超級電容器無法進行標準回流裝配，要額外的裝配流程，這會造成生產成本的新增。再者，超級電容器在高溫環境下會出現膨脹，導致元件受損，并出現壽命問題。
結論
在便攜設備中運用超級電容器可以同時支持多種高電流負載脈沖。在支持射頻功放傳輸脈沖、高功率立體聲驅動器和LED照相機閃光燈的同時，可以使電池電流保持在易于控制的水平，從而有助于消除許多設計難題（如時間限制、電池ESR顯著下降）。運用上述標準正確評估電容器驅動器/控制器，將有助于使所有設計都能充分利用超級電容器子系統，并最大限度地降低設計周期后期出現的難題。隨著超級電容器性能的提高（例如額定電壓和容量提升、ESR和物理尺寸降低），手機的高級功能將越來越多，從而供應更加豐富的用戶相關經驗。
