超級(jí)電容器是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗鼈兛梢栽谛枰S多快速充電/放電循環(huán)的應(yīng)用中與電池一起工作或作為電池的替代品，并且它們?cè)诙唐谀芰看鎯?chǔ)、再生制動(dòng)和靜態(tài) RAM 內(nèi)存?zhèn)浞莸葢?yīng)用中很受歡迎。

但在設(shè)計(jì)中平衡超級(jí)電容器不僅僅需要連接幾根電線。當(dāng)超級(jí)電容器的工作電壓為 2.5–2.7 V 時(shí)，大多數(shù)應(yīng)用使用串聯(lián)的設(shè)備陣列來(lái)獲得更高的電壓。

許多超級(jí)電容器的漏電流因多種因素而異，包括：

初始泄漏值

泄漏隨充電電壓、充電電流和溫度的變化

工作溫度范圍

化學(xué)、材料和結(jié)構(gòu)

老化

防止這種不平衡需要一個(gè)平衡電路，通過(guò)自動(dòng)校正漏電流變化的影響，將每個(gè)超級(jí)電容器的電壓保持在限制范圍內(nèi)，所有這些都以最小的增加的漏電流或功耗。

對(duì)于模塊設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，這代表了額外的復(fù)雜性。簡(jiǎn)單的基于電阻器的設(shè)計(jì)會(huì)消耗功率，并且不會(huì)對(duì)老化和溫度變化做出響應(yīng)；基于運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)具有更高的性能，但復(fù)雜、浪費(fèi)功率并占用過(guò)多的電路板空間。開(kāi)發(fā)解決方案還需要布局專業(yè)知識(shí)和模擬或電源設(shè)計(jì)技能；結(jié)果可能會(huì)增加開(kāi)發(fā)時(shí)間，甚至使問(wèn)題變得更糟，并增加其自身不需要的泄漏。?

新PCB概述

一種新的印刷電路板 (PCB) 提供了一種“即插即用”的解決方案，它結(jié)合了為任何尺寸的超級(jí)電容器完成這些任務(wù)所需的所有電路。圖 1 顯示了該板，其設(shè)計(jì)用于與精密 MOSFET 陣列結(jié)合使用。

每塊板的尺寸僅為 0.6 x 1.6 英寸，并且在完全填充后，最多可以平衡四個(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容器；除了未組裝的電路板外，還提供了帶有不同 MOSFET 組合的組裝電路板，以達(dá)到所需的電壓。對(duì)于較大的陣列，可以串聯(lián)任意數(shù)量的板，但每塊板的最大電壓為 15 V。

圖 1：四個(gè)超級(jí)電容器加上外部元件。 ? ?

該板可容納 0.1 F 至 3,000 F 及更高溫度的超級(jí)電容器。由于使用電路板而導(dǎo)致的平均額外功耗為零，這使得這種超級(jí)電容器平衡方法非常節(jié)能。它特別適用于低損耗能量收集和長(zhǎng)壽命電池供電應(yīng)用。

圖 2 顯示了與四個(gè)超級(jí)電容器 C1-C4 一起使用的電路板的示意圖。MOSFET 是由四個(gè)相同芯片組成的陣列，其中包含兩個(gè)配置相同的器件。根據(jù)選擇的電路板，每個(gè)超級(jí)電容器可以有一個(gè) MOSFET，或兩個(gè)并聯(lián)的器件跨接。并聯(lián)兩個(gè)器件可以得到一個(gè)等效的 MOSFET，其輸出電流是兩倍，對(duì)電壓變化的靈敏度是兩倍。

圖 2：具有三個(gè) MOSFET 陣列的完整電路板示意圖。該設(shè)計(jì)確保每個(gè)超級(jí)電容器上的電壓（例如 VA – VB）不超過(guò)最大允許值。? ? ?

兩個(gè)部件號(hào)中的“XX”表示 MOSFET 兩端的電壓，對(duì)應(yīng)于 25°C 時(shí) 1 μA 的漏電流，如下一節(jié)所述。

每個(gè) MOSFET 的額定反向偏置二極管電流最高可達(dá) 80 mA。由于超級(jí)電容器電壓變化而導(dǎo)致的任何反向偏置情況，尤其是在快速超級(jí)電容器放電期間，都可能導(dǎo)致某些內(nèi)部節(jié)點(diǎn)因浪涌電流超過(guò)此限制而出現(xiàn)反向偏置。

該板具有 TO277 焊盤，用于添加外部肖特基整流器（功率二極管）以鉗制此類電流瞬變。?

還可以在每對(duì)超級(jí)電容器之間連接一個(gè)可選電阻器。通常情況下，這是開(kāi)路的，但如果這兩個(gè)超級(jí)電容器位置無(wú)人安裝，則應(yīng)在相應(yīng)位置安裝一個(gè)零歐姆跳線。 ?

電路操作

電路如何自動(dòng)平衡漏電？MOSFET 可被視為在有限工作范圍內(nèi)的三端壓控電阻器，其導(dǎo)通電阻 R DS(ON) 是輸入電壓 V GS的指數(shù)函數(shù)。當(dāng)柵極和漏極連接時(shí)，V DS 也等于V GS ，稱為閾值電壓V t。圖 3 顯示了四通道 MOSFET 陣列的數(shù)據(jù)。

圖 3：芯片的相對(duì)導(dǎo)通電阻與輸入電壓的關(guān)系。 ? ?

ALD 零件編號(hào)中的“XX”表示閾值電壓 V t ，它在 25°C 時(shí)提供 1 μA 的輸出電流 I OUT 。例如，ALD810025 四方陣列的 V t = 2.5 V，因此 在 2.5 V 和 25°C 時(shí) I OUT = 1μA。這對(duì)應(yīng)于 2.5 MΩ 的 R DS(ON) 。表 1 顯示了 I OUT 隨著 V t變化的 變化。

表 1：在 TA = 25°C 時(shí)，ALD810025 在不同輸入電壓和輸出電流下的等效導(dǎo)通電阻。

當(dāng)一個(gè) MOSFET 跨接在一個(gè)陣列中的超級(jí)電容器上時(shí)，V t 和 R DS(ON)之間的指數(shù)關(guān)系 意味著由另一個(gè)超級(jí)電容器的漏電流引起的超級(jí)電容器電壓的任何微小增加都會(huì)導(dǎo)致 R DS( ON） 的那個(gè)MOSFET。這將增加 I DS(ON) 并降低電壓。隨著電壓降低，I DS(ON) 也會(huì)降低。

根據(jù)所選的 PCB 部件號(hào)，每個(gè)超級(jí)電容器可以有一個(gè) MOSFET 或兩個(gè)并聯(lián)的器件。并聯(lián)兩個(gè)器件可以得到一個(gè)等效的 MOSFET，其輸出電流是兩倍，對(duì)電壓變化的靈敏度是兩倍。

漏電流平衡機(jī)制是全自動(dòng)的，適用于具有不同漏電流分布的超級(jí)電容器陣列。在具有許多串聯(lián)超級(jí)電容器的堆棧中，多個(gè) MOSFET 陣列起到平衡各種漏電流的作用。

例如，如果漏電流 I C1 大于 I C2在圖 2 中的四電容器陣列中，則兩個(gè) M1（在 U1 和 U2 中）都關(guān)閉，M2 對(duì)成為平衡 C1 的有源電路元件，泄漏最大的超級(jí)電容器。

如果沒(méi)有自動(dòng)平衡電路，C2 兩端的電壓會(huì)不斷上升，直到損壞器件。MOSFET 平衡解決方案幾乎不會(huì)產(chǎn)生額外的電流消耗，并且可以根據(jù)溫度、時(shí)間和其他可能導(dǎo)致失衡情況的環(huán)境變化進(jìn)行調(diào)整。 ?

　　審核編輯：湯梓紅