對(duì)于當(dāng)今的大多數(shù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來說，從事空間受限的電池供電消費(fèi)電子產(chǎn)品開發(fā)將是最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。除了能夠在給定的機(jī)箱尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)所需的功能外，最重要的考慮因素之一是可用功率預(yù)算。所有電子設(shè)備（例如處理器、無線連接和顯示器/UI）的可用空間之間的平衡需要與電池為所有設(shè)備供電的空間相抗衡。

　　對(duì)于某些應(yīng)用程序，例如在具有相機(jī)閃光燈功能的智能手機(jī)中發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用程序，峰值功率負(fù)載明顯高于任何其他用例，盡管是短暫的情況。面臨此類挑戰(zhàn)的工程師可能會(huì)考慮使用超級(jí)電容器，也稱為雙電層電容器 （EDLC），作為滿足峰值負(fù)載要求的一種方式。超級(jí)電容器的存儲(chǔ)容量是普通電解電容器的 100 倍，通常可以在 40 毫秒內(nèi)提供高達(dá) 4 安培的電流。此類 EDLC 也是提供備用電源以適應(yīng)應(yīng)用程序主電源的瞬時(shí)中斷的理想候選者。固態(tài)磁盤驅(qū)動(dòng)器的備用電源，內(nèi)存?zhèn)浞荩?/p>

　　與陶瓷或電解對(duì)應(yīng)物不同，EDLC 不使用介電層。取而代之的是電解質(zhì)，可以是固體或凝膠狀物質(zhì)，位于兩個(gè)電極之間（圖 1）。這種結(jié)構(gòu)的最終電容與電極的表面積成正比，并且通過使用沉積在鋁箔上的動(dòng)力活性炭作為電極，提供了相當(dāng)高的電容值。離子吸收到電極表面和從電極表面吸收的過程產(chǎn)生了 EDLC 的充電和放電。

　　圖 1：超級(jí)電容器的構(gòu)造 - EDLC

　　EDLC 的結(jié)構(gòu)往往因制造商而異，每個(gè)制造商的特性略有不同。例如，Murata的 DMT/DMF 系列（圖 2）使用鋁層壓膜封裝，其兩面都涂有絕緣塑料層。由活性炭電極和電解質(zhì)組成的夾層構(gòu)成多層封裝，每片由隔板機(jī)械和電氣分離。此外，兩個(gè)電容器形成在單個(gè)“袋”封裝內(nèi)，并與連接到中點(diǎn)的引線串聯(lián)連接，此外還有外電極。Murata 產(chǎn)品的一個(gè)示例是DMT334R2S47，這是一款額定工作電壓為 4.2 V DC的 470 mF 超級(jí)電容器。TDK使用了類似的方法使用其 EDLC252520 系列，例如EDLC252520-351-2F-21，350 mF 和 3.2 V DC工作電壓。

　　圖 2：村田 EDLC 封裝示例

　　相比之下，松下的 Gold 系列 EDLC 采用了幾種具有不同特性的結(jié)構(gòu)形式。紐扣電池格式用于內(nèi)存?zhèn)浞輵?yīng)用和太陽能手表的輔助電源，多個(gè)堆疊的紐扣電池排列用于工業(yè)和汽車內(nèi)存?zhèn)浞輵?yīng)用，并且使用更熟悉的圓柱形封裝，具有相對(duì)較低的 ESR，是用于更高電流的應(yīng)用，如玩具。一個(gè)例子是EEC-S0HD334V，一個(gè) 330 mF 5.5 V DC工作電壓部件。

　　為了更好地了解 EDLC 的行為和操作，有必要考慮其等效電路模型。從一個(gè)簡(jiǎn)單的第一視角來看，該模型如圖 3 所示。

　　圖 3：EDLC 的簡(jiǎn)單等效電路模型

　　請(qǐng)注意，EDLC 內(nèi)的兩個(gè)電容器單元的組合創(chuàng)建了一個(gè)進(jìn)一步簡(jiǎn)化的模型。等效電容減半，有效串聯(lián)電阻 （ESR） 加倍。然而，該模型沒有考慮活性炭電極的實(shí)際行為。由于這種沉積會(huì)在表面上形成不同深度的層或孔，因此離子的運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生變化。這樣做的結(jié)果是離子可以快速移動(dòng)到表面的活性炭，但更深層次的離子需要更長(zhǎng)的時(shí)間。表面快速接受電荷，但較深的層需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能完全充電。為了在等效電路模型中考慮這一點(diǎn)，更準(zhǔn)確的表示（見圖 4）包含多個(gè)并聯(lián)電容器和串聯(lián)電阻。

　　圖 4：EDLC 的詳細(xì)等效電路模型

　　通常，大多數(shù)超級(jí)電容器 EDLC 器件制造商提供的器件電容值從幾百毫法拉到幾法拉不等，工作電壓通常高達(dá) 5.5 V DC。雖然它們的電容值和能量存儲(chǔ)能力很高，但它們的物理尺寸往往相對(duì)較薄。例如，Murata DMF-4B5R5G 1 F、5.5 WV DC部件的尺寸僅為 1.181 x 0.515 x 0.146 英寸（30.00 x 14.00 x 3.70 毫米）。

　　與鉭或鋁電容器相比，EDLC 可提供超過 100 倍的儲(chǔ)能能力。例如，1.5 F 6.3 V 鉭電容器可提供高達(dá) 20 mJ 的存儲(chǔ)能量，而 470 mF 4.2 V EDLC 可存儲(chǔ) 2，000 mJ 的能量。考慮到鉭電容器在發(fā)生短路時(shí)會(huì)起火、成本高、鋁的尺寸大且生命周期有限，因此 EDLC 成為提供高峰值負(fù)載或備用電源應(yīng)用的理想選擇，在這些應(yīng)用中，通常可以提供 10 瓦的輸出，對(duì)于某些情況，可以提供高達(dá) 100 瓦的輸出。此外，與使用鋰紐扣電池代替 EDLC 相比，鋰電池只能提供非常低的功率。

　　為 EDLC 充電通常只需幾分鐘，具體取決于設(shè)備的有效電阻（圖 5）。由于 EDLC 具有許多小的內(nèi)部電阻，因此通常不需要任何外部限流電阻器。

　　圖5：EDLC充電-內(nèi)阻與時(shí)間的關(guān)系

　　圖 6 顯示了基于恒流放電的 EDLC 放電循環(huán)的一般模型。

　　圖 6：EDLC 恒流放電的典型放電曲線

　　圖 7 說明了 Murata DMF 系列 EDLC 的情況。由于內(nèi)部 ESR，在放電時(shí)有一個(gè)初始電壓降，當(dāng)出現(xiàn)較大的電流條件時(shí)，電壓降更大。EDLC 的電壓隨后開始隨時(shí)間下降。這種下降的速度取決于消耗的電流和標(biāo)稱電容值。在恒功率放電的情況下，電壓和時(shí)間之間的關(guān)系不是線性的，而是基于放電功率 （P）、標(biāo)稱電容 （C） 和瞬時(shí)電壓電平 V 形成更多的曲線，計(jì)算公式為 dv/dt =個(gè)人簡(jiǎn)歷。

　　圖 7：Murata DMF EDLC 的放電曲線

　　如前所述，有許多用例非常適合 EDLC。

　　圖 8 顯示了在基于電池的設(shè)計(jì)中使用 EDLC 作為平衡負(fù)載峰值的一種方法。當(dāng)負(fù)載需求超過電池單獨(dú)可以提供的能力時(shí)，組合電源可提供額外的電力來補(bǔ)充電池電源輸出，從而滿足應(yīng)用需求。

　　圖 8：高峰值負(fù)載均衡

　　在本文介紹中提到的用例場(chǎng)景中，提供 EDLC 以提供高峰值功率能力如圖 9 所示。這樣的峰值負(fù)載可能是智能手機(jī)上的相機(jī)閃光燈功能或容納電機(jī)啟動(dòng)峰值負(fù)載。通過為這些功能使用 EDLC 代替使用更高額定值的電池，設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)⒄w BOM 成本和所需空間降至最低。這在當(dāng)今空間受限的消費(fèi)電子設(shè)備中尤為重要。

　　圖 9：高峰值功率函數(shù)

　　EDLC 還可用于在電源不頻繁但存在穩(wěn)定負(fù)載條件的情況下存儲(chǔ)能量。請(qǐng)參見圖 10。在沒有其他可靠電源可用的情況下，使用能量收集代替電池的概念正在吸引那些為物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用開發(fā)傳感器應(yīng)用的人。從太陽能電池和振動(dòng)收集器等多個(gè)來源收集的能量可以輕松存儲(chǔ)在 EDLC 中，以保持無線傳感器應(yīng)用的可靠電源。

　　圖 10：能量收集應(yīng)用的能量存儲(chǔ)

　　最終用例是為內(nèi)存應(yīng)用程序（例如固態(tài)驅(qū)動(dòng)器 （SSD））提供臨時(shí)備用電源，如圖 11 所示。SSD 的電源中斷是一個(gè)關(guān)鍵事件。由于對(duì)緩存內(nèi)存的依賴，如果電源突然發(fā)生故障，任何掛起的磁盤/緩存寫入很可能會(huì)丟失，因?yàn)椴粫?huì)發(fā)生正確的待機(jī)/關(guān)閉過程。為了防止數(shù)據(jù)丟失和可能損壞的磁盤分區(qū)，可以使用 EDLC 來確保關(guān)閉和/或緩存寫入過程可以無錯(cuò)誤地進(jìn)行。

　　圖 11：固態(tài)驅(qū)動(dòng)器的備用電源

　　EDLC 作為電池和大電容器的替代品越來越受到設(shè)計(jì)工程師的歡迎。EDLC 能夠提供大量能量、占用很少的電路板空間并具有良好的可靠性和老化特性，因此將非常受歡迎。