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2A超級電容器充電器平衡和保護便攜式應用
超級電容器在傳統(tǒng)電容器和電池之間開拓了一個新興市場,。它們正在取代數(shù)據(jù)存儲應用中的電池，這類應用需要大電流/持續(xù)時間短的備份電源,，超級電容器也正用于各種高峰值功率應用,，而這類應用需要大的電流突發(fā)或補充性電池備份。與電池相比,，超級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)有更長的充電周期壽命且具有更低的ESR,。與標準陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比,，超級電容器的外形尺寸和重量與其類似,，但能量密度更高。通過降低超級電容器的Top-Off電壓并避免高溫(>50°C),，可zui大限度地延長電容器的壽命,。
上一代的兩節(jié)超級電容器充電器是為用3.3V、3節(jié)AA或鋰離子/聚合物電池實現(xiàn)小電流充電而設計的,，因為這些IC采用升壓型拓撲結(jié)構(gòu),。不過，超級電容器技術的改進已經(jīng)擴大了市場,，產(chǎn)生了很多未必局限在消費電子產(chǎn)品領域的中到較大型電流應用,。主要應用包括固態(tài)盤驅(qū)動器和海量存儲備份系統(tǒng)，涵蓋工業(yè)PDA和手持終端,、數(shù)據(jù)記錄儀,、儀表、醫(yī)療設備等大電流便攜式電子設備,，以及各種“dying gasp”型工業(yè)應用,，例如安防設備和報警系統(tǒng)。其他消費類電子產(chǎn)品應用包括那些有大功率突發(fā)的應用,，如相機中的LED閃光燈,、PCMCIA卡和GPRS/GSM收發(fā)器，以及便攜式設備中的硬盤驅(qū)動器(HDD),。
超級電容器充電器的設計挑戰(zhàn)
超級電容器有很多優(yōu)點,，不過，當兩個或更多電容器串聯(lián)疊置時,，就給設計師帶來了諸如容量平衡,、充電時電容器過壓損壞,、吸取過大電流、大占板面積/解決方案等問題,。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備而言，應對這些情況至關重要,。
使串聯(lián)連接的超級電容器達到容量平衡,，可確保每節(jié)電容器上的電壓近似相等，而超級電容器如果缺乏容量平衡,，可能會導致過壓損壞,。就小電流應用而言，充電泵采用給每節(jié)電容器配一個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問題的辦法,。正如下面說明的那樣，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超級電容器能量存儲的影響,，設計師還可以選擇使用一個電流非常小的有源平衡電路。容量失配的另一個原因是漏電流不同,。電容器的漏電流開始時相當高,，然后隨時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始再充電就會過壓,，除非設計師選擇可在每個電容器上提供比電容器漏電流本身大得多的負載電流的平衡電阻器。平衡電阻器導致不必要的成份和*性放電電流,，加重了應用電路的負擔,。如果失配的電容器以大電流充電，它們也無法為每節(jié)電容器提供過壓保護,。
就中到較大功率應用而言,，另一個可解決超級電容器充電問題而且不算昂貴的方法是，采用一個電流受限的開關加分立器件和外部無源組件,。采用這種方法時,，電流受限的開關提供了充電電流和電流限制，同時電壓基準和比較器 IC 提供電壓箝位，zui后,，具平衡電阻器的運放(吸收/供應)實現(xiàn)超級電容器的容量平衡。然而,，鎮(zhèn)流電阻器的值越低,，靜態(tài)電流越高，電池運行時間越短,，顯然的好處是節(jié)省了費用,。不過，這種解決方案實現(xiàn)起來非常笨重,，而且性能充其量也就是略微好一點,。
上述滿足超級電容器充電器IC設計限制的任何解決方案都必須與一個大電流充電器相結(jié)合，以用于具自動容量平衡和電壓箝位的兩節(jié)串聯(lián)超級電容器,。因此,，凌力爾特公司開發(fā)了一款面向中到大功率應用的簡單但*的單片超級電容器充電器IC，該IC無需電感器,、無需平衡電阻器,、有各種工作模式并具有低靜態(tài)電流。
一種簡單的解決方案
LTC4425是凌力爾特的兩節(jié)超級電容器充電器系列的新器件,，用于在便攜式和數(shù)據(jù)存儲應用中滿足大峰值功率,、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),，而且每個電容器都受到內(nèi)部分路器保護以免過壓損壞(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導通電阻,，以防止VIN向后驅(qū)動,，并使該器件適合于多種大峰值功率電池及USB供電設備、工業(yè)PDA,、便攜式儀表和監(jiān)視設備,、功率計、超級電容器備份電路以及PC卡/USB調(diào)制解調(diào)器。
LTC4425的自動容量平衡功能保持兩節(jié)電容器有相等的電壓,，從而無需容量平衡電阻器,，同時保護每節(jié)超級電容器免受過壓損壞，并zui大限度地降低電容器上的漏電流,。當輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時,，該IC以非常低的20uA靜態(tài)電流工作，而且停機時僅從VIN和VOUT兩者之中較高的一個吸取2uA電流,?；境潆婋娐穬H需要6個外部組件，是非常緊湊的,。其他關鍵特點包括一個VIN電源失效指示器以及通過PROG引腳連續(xù)監(jiān)視VIN至VOUT的電流,。額外的保護功能包括：在溫度過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,，通過FB引腳用一個外部電阻分壓器網(wǎng)絡設定輸出電壓(VOUT),，該分壓器網(wǎng)絡由RFB1和RFB2組成，而充電電流通過PROG引腳用一個外部電阻器RPROG設定,，參見圖2所示方框圖,。充電器控制電路由一個恒流放大器和一個恒壓放大器組成。當啟動該IC以給一個已放電的超級電容器組充電時,，zui初恒流放大器起控制作用,，并伺服PROG引腳電壓至1V。通過PROG電阻器的電流乘以約為1,000 的檢測MOSFET(MPSNS)和功率MOSFET(MPSW)之比,，為超級電容器組充電,。當輸出電壓VOUT接近設定值時，恒定電壓放大器接管控制權(quán),，而且如果有必要則減少充電電流,，以保持FB引腳電壓等于一個1.2V的內(nèi)部基準電壓。因為PROG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)指示實際充電電流,，即使在恒定電壓放大器起控制作用時也是如此。
充電電流曲線(正常)模式
當FB引腳短路到輸入電壓VIN時,，LTC4425進入充電電流曲線模式,。在這種工作模式時，恒定電壓放大器從內(nèi)部禁止，但是充電電流仍然通過外部RPROG電阻器設定,。如果輸入至輸出電壓差(VIN –VOUT)超過 750mV,，那么充電器提供的電流是設定充電電流的1/10，以限制芯片內(nèi)的功耗,。當VOUT在250mV以內(nèi)或較接近VIN時,，隨著這個電壓差從750mV開始下降，充電電流線性增大至其滿設定值,。當VOUT進一步上升時，充電器FET兩端的電壓變得太低,，以至于無法支持滿充電電流,。因此充電電流逐步降低，充電器FET進入三極管(符合歐姆定律的)工作區(qū)(參見圖 3),。既然充電器FET RDS(ON)近似為50mΩ,，那么在設定充電電流為2A時，F(xiàn)ET將進入符合歐姆定律的歐姆區(qū)(三極管),，且當VOUT與VIN相差約100mV以內(nèi)時,，充電電流將開始下降。
電壓箝位電路
LTC4425配備的電路可將超級電容器組中兩個超級電容器兩端的電壓限制到zui高可允許電壓VCLAMP,。有兩個通過SEL引腳可選的VCLAMP預置電壓：2.45V或2.7V,。就較低的2.45V VCLAMP電壓而言，SEL引腳應該設定為邏輯低電平,，而對于較高的2.7V VCLAMP電壓,，該引腳則應設為邏輯高電平。如果底端電容器兩端的電壓(即VMID引腳電壓)先達到了VCLAMP,，那么NMOS并聯(lián)晶體管就接通,，并開始從底端的電容器向地泄放電荷。類似情況,，如果頂端電容器兩端的電壓(VTOP)先達到VCLAMP,，那么PMOS并聯(lián)晶體管就接通，并開始從頂端的電容器向底端的電容器泄放電荷,。
當任一超級電容器兩端的電壓達到與VCLAMP相差50mV以內(nèi)時,，互導放大器就開始線性地降低充電電流。到任一并聯(lián)器件接通時,，充電電流降至設定值的1/10,，而且只要該并聯(lián)器件接通，就保持這個值不變,。這是為了防止并聯(lián)器件被過大的熱量損壞,。控制并聯(lián)器件的比較器有50mV的遲滯,，這意味著,，當任一電容器兩端的電壓降低50mV時，并聯(lián)器件斷開,，并以滿充電電流恢復正常充電,，除非受到另一個控制充電器FET柵極放大器的限制,。如果兩個電容器都超過它們的zui大可允許電壓VCLAMP，那么主充電器FET*關斷,，而且兩個并聯(lián)器件都接通,。兩個并聯(lián)器件實際上是電流反射鏡，保證分走比通過充電器FET的電流更大的電流,。