超級電容器，具有高達100F電荷存儲的電容器，正在成為一種 在電力輸送重要性高于其重要性的應用中替代電池 總儲能。超級電容器具有許多優勢 電池使它們在短期需要高功率時成為卓越的解決方案， 例如在電動穿越應用中。這些優點包括較低的有效 串聯電阻 （ESR） 和增強的耐用性，面對重復充電。

像電池一樣，超級電容器也有 一些專門的應用程序需要 使用專用 IC 是可取的。

超級電容器技術現在可以 提供高達 100F 的電容器，但 這些的最大工作電壓 電容器為2.7V或更低。因為大多數 系統需要更高的工作電壓 除此之外，許多超級電容器作為一對電容器提供 單個中心抽頭封裝。LTC4425 專為對兩個堆疊充電而設計 超級電容器并提供穩壓 系統負載的輸出電壓。

LTC4425架構

LTC4425 具有兩種模式 操作：正常和LDO。

正常模式

在正常模式下，LTC4425 可以 被認為是具有電流的理想二極管 極限和超級電容器專用功能 （見圖1）。如果我們忽略一切 但理想的二極管控制器，MPSNS 和 MPSW，LTC4425 的行為類似于理想 二極管。每當 V 時，MPSW 都會打開外是 低于 V在超過15mV。

圖1.LTC4425 的框圖。

電流的一小部分 （1/1000） V外引腳外向于電阻器 連接到 PROG 引腳和結果 將電壓與基準電壓進行比較。 當 PROG 引腳上的電壓達到 參考電壓，無額外電流 允許從 V 流出外針。

在正常模式下，調節功能 不受輸出電壓控制 獨自一人，但由V在– V外（見圖2）。 通過連接 FB 引腳轉 V在.在正常模式下，只要 V在– V外大于0.75V，充電 電流為編程值的 1/10。 作為 V在– V外電壓從 0.75V至0.25V，充電電流增加 線性地與編程值在 V在– V外= 0.25V。對于 V在– V外電壓 小于0.25V，但大于15mV， V外電流為 1000/R進度，并且可以 高達2A。但是，MPSW 設備具有 RDS（ON）約50mΩ， 所以當V在– V外夠小了，這個 電阻可能會限制電流。為 V在– V外電壓小于15mV時， 理想二極管關斷，降低電流 出 V外到一個小漏電流。

圖2.正常模式下的超級電容器充電電流曲線旨在防止浪涌電流。

線性度測量模塊模式

在LDO模式下，調節功能不 由 V 控制在– V外，但通過反饋 從輸出電壓。LDO模式為： 通過連接輸出電壓進行選擇 分頻器到 FB 引腳以設置最大值 輸出電壓。在LDO模式下， LTC4425 的行為類似于穩壓器 提供編程電流 到負載并為超級電容器充電。 如果超級電容器位于 所需電壓，LTC4425 繼續 提供高達 編程的最大電流。

如果所需的超級電容器電壓為 接近 V在盡可能，然后將 FB 引腳。這意味著循環永遠不會 達到穩壓，但輸出電壓將跟蹤15mV以內的輸入電壓或 我V（輸出）×·DS（ON），以較大者為準。

LTC4425 可限制可用的電流 到 V外針。通常這個電流是 用于為超級電容器充電，但 也可以去裝載。在LDO模式下， 電流在兩個方面受到限制， PROG 引腳和熱限制。

PROG 基準電壓，用于 LDO模式為1V，其分數為 五外印象深刻的電流 連接到 PROG 引腳的電阻器 為 1/1000。所以電流限制是1000 / R進度，并且可以高達2A。

如果想象給 100F 電容器充電， 即使在2A時，電壓也會以20mV/s的速度變化。 而且，在這個充電過程中，有 耗散明顯，通常為數 瓦。如果 V 的一部分外電流是 轉到系統加載，然后是 為超級電容器充電延長。這 LTC4425 具有線性熱調節功能 限制來自 V 的電流的環路外, 使得模具溫度保持 低于105°C。 這是一個線性電路 適用于在正常操作下使用 條件，不是保護電路 那只是為了防止損壞。

LTC4425 特性

電壓鉗

每個上都有電壓鉗 堆疊輸出超級電容器，來自 V外到 V.MID，以及從 V.MID接地。 這些電壓鉗的用途是 確保超級電容器不能 充電超過其額定電壓。 可以選擇每個堆疊超級電容器上的箝位電壓 通過 SEL 引腳為 2.45V 或 2.70V。

假設輸入電壓為6V， 并且FB引腳接地，因此 LTC4425 處于 LDO 模式并正在嘗試 將超級電容器充電至 輸入電壓。夾子將激活 每當任一堆疊的超級電容器 超過箝位電壓。

為了將功耗保持在 檢查鉗位電路，LTC4425 自動降低充電電流 到編程值的 1/10 每當任一堆疊的超級電容器 接近箝位電壓。

泄漏平衡器

LTC4425 可檢測 通過比較堆疊超級電容器 V.MID到 V外.當 LTC4425 檢測到 不平衡，它吸收或從 五.MID用于平衡超級電容器的引腳。

LTC4425 漏電平衡器主要 旨在解釋自我的影響， 或系統泄漏，因此最大 灌電流或拉電流約為 1mA。然而，電壓的相互作用 夾具和泄漏平衡器將 最終糾正甚至相當大的不平衡。 超級電容器可能成為 充電過程中不平衡，因為一個 堆疊中的電容器更大或更小 比另一個。對于相同的充電電流， 電容越大越低 電壓比電容器小。所以， 較小的電容器可能會激活其電壓 在較大的電容器之前箝位 完成充電，使堆棧不平衡。

然后，泄漏平衡器將接合并 慢慢地使堆棧恢復平衡。

全氟辛烷磺酸輸出

LTC4425 監視和報告 V 的條件在和 V外根據 模式。如果 PFI 引腳為 低于 1.2V 或 （V在– V外） > 250mV （英寸） 正常模式）或 VFB< 1.11V （輸入 LDO 模式），因此 PFO 可用于開關 超級電容器的負載，如果 有V的損失在（見圖3）。

這在負載電流 遠高于最大值 LTC4425 可以提供的電流。全氟辛烷磺酸罐 僅用于在沒有 V 的情況下將負載切換到超級電容器在.

圖3.從鋰離子源為2節串聯超級電容器充電。全氟辛烷磺酸監測儀V在這樣電源僅在 V在失敗。

請注意，PFO 監視 輸入故障，或指示低電平 FB 引腳上的輸出電壓。如果 FB 引腳接地，即在 LDO模式為超級電容器充電 到 V在—那么PFO是永久性的 斷言低，掩蓋 V 上的任何故障在.

基于超級電容器 穿越系統

許多電子系統需要 短期備用電源系統 允許他們度過短暫的中斷 掌權。同樣， 有些系統需要時間來保存狀態， 或清空易失性存儲器或執行 通電時的其他內務處理任務 突然刪除。例如，硬 驅動器可能需要停放頭部，所以 它們不會落在媒體表面上。 這是一個機電系統 需要 20ms–100ms 的連續時間 在完全關閉之前供電。

另一個例子涉及效果 大型電機組的電源 系統。如果大型電動機 已開始，例如商業建筑 空調或電梯，電源 多條生產線的供應可能會崩潰 周期。通常輸入電源存儲 僅夠一半的能量 一個循環和一個循環。供電的設備 通過輸入電源需要一種工作方式 通常直到電源恢復。

穿越應用程序當然可以是 使用備用電池實現，但在 很多情況下，它需要一個非常大的電池 滿足穿越功率的陣列 要求。雖然電池可以存儲 很多能量，他們不能提供太多 單位體積功率，因為它們顯著 源阻抗。電池也有相對的 壽命短，2~3年，及其護理 喂養需求很大。

另一方面，超級電容器， 非常適合短功率突發， 穿越應用程序。他們的低 源阻抗允許它們供電 在相對較短的時間內提供顯著的功率，并且它們相當可觀 比電池更堅固。

穿越應用程序設置

圖 4 顯示了完全的電源中斷 使用穿越系統 LTC4425、LTC4416、LTC3539 和 LTC3606。圖 5 顯示了布局。 此設計可在 200mA電流，持續近8秒。

圖4.完整的基于超級電容器的電源穿越系統。

圖5.用于測試圖4所示電路的前后板布局。

LTC?3606 是一款微功率降壓型穩壓器 產生3.3V。The LTC4416 提供雙理想二極管或功能 以確保在以下情況下的最大效率 從常規輸入切換到 超級電容器。LTC?3539 是一款微功率器件 帶輸出斷開的升壓穩壓器。 該升壓穩壓器的工作頻率低至 0.5V，可支持1.3A×負載 V外/V在在其輸出。超級電容器 是一款 CAP-XX HS206F、0.55F、5.5V 電容器。

測量的穿越應用程序 結果和操作詳細信息

圖6顯示了如果 LTC3539升壓電路被禁用。跑 時間，從輸入斷電到輸出 穩壓器電壓降至3V，為4.68s。 圖7顯示了如果 LTC3539升壓電路可工作。跑 時間，從輸入斷電到輸出 穩壓器降至3V，為7.92s。

圖6.如果在圖4電路中禁用升壓穩壓器，則穿越應用可以支持0.67W負載約4.68s。

圖7.在圖4電路中啟用升壓穩壓器后，穿越應用可以支持0.67W負載約7.92s。

當 LTC3539 升壓型穩壓器 被禁用，一旦輸入電源 跌落，基于 LTC4416 的理想二極管 切換輸入能量供應 LTC3539降壓穩壓器至超級電容器。 在圖6中，兩端的電壓 超級電容（V南卡羅來納州） 由于 200mA 的恒定功率負載 3.3V 在降壓穩壓器上 （V外).

當輸入電壓向LTC3539 達到壓差 穩壓器，輸出電壓可見 跟蹤輸入電壓。在 4.68 秒后 輸入功率移除，電壓上 超級電容達到3.0V外加壓差 電壓和 V外降至 3V 以下。這 降壓穩壓器繼續跟蹤 超級電容電壓下降，直到達到2V， 然后降壓穩壓器關閉。

在圖7中，超級電容兩端的電壓（V南卡羅來納州） 由于常數而線性減小 3.3V時200mA的電源負載 降壓穩壓器。當 V南卡羅來納州達到3.4V， 升壓調節器調節點， 升壓穩壓器開始開關。這 關斷理想二極管并斷開 來自超級電容器的降壓穩壓器。 降壓穩壓器的能量輸入 現在是升壓穩壓器的輸出 3.4V. V南卡羅來納州保持在3.4V，但超級電容開始呈指數級放電，因為 作為升壓穩壓器的輸入電壓 滴，它必須越來越高 電流以維持其輸出在 3.4V。

因為降壓穩壓器的輸入 保持在 3.4V，其輸出保持 在監管中。當升壓穩壓器 到達其輸入 UVLO 時關閉，其輸出立即崩潰。 由于它的輸入電壓現在已經崩潰， 降壓穩壓器關閉。

穿越中的能量清除 應用

升壓輸出應為什么電壓 設置為？顯然，操作是相同的，與 或未啟用升壓電路，直到 降壓穩壓器的輸入壓差 已達到。設計中的一個目標 是為了盡量減少 升壓穩壓器用于電源 鏈條，因為每增加一個規定 階躍會降低整體效率。這里 我們設置升壓穩壓器輸出電壓 與降壓穩壓器輸入一樣接近 壓差盡可能高，或3.4V。

升壓穩壓器必須具有同步 輸出以最大限度地提高效率 一旦升壓調節器接合。這意味著一個具有“阻塞”功能的升壓穩壓器 輸出。這反過來又需要 第二個理想二極管允許 為降壓穩壓器供電的超級電容器 直到升壓調節器接合。 升壓穩壓器必須工作到 盡可能低的電壓以確保 最大能量是 從超級電容器中清除。

如果超級電容器最初充電至 5V，那么超級電容器中的能量為：

輸出功率為 3.33V 0.2A = 0.67W，所以百分比 存儲在超級電容中的能量 僅降壓電路提取為：

儲存的能量百分比 在超級電容器中，提取時 升壓調節器使能后，是：

存儲在 回收的超級電容器增加 從45.1%增加到77%。這允許使用 更小、更便宜的超級電容器。

結論

所示的動力穿越系統 這里使用0.55F超級帽來支撐 電源足夠長，適合微控制器 完成最后的喘息 內務管理任務。延長給定超級電容器穿越時間的一種方法 是增加一個升壓穩壓器 到系統，允許能量 清除。給定的運行時間 超級電容器可以通過以下方式擴展 如果使用能量清除，則為 >30%。這 如果超級電容器 工作電壓降至 確保高溫可靠性。

此外，輸出的形狀 電壓顯著提高 輸出穩壓器的輸入電壓 現在呈正方形。這個結果 在穩定的 3.3V 輸出電壓中，具有 尖銳截止，而不是斜坡電壓 隨著超級蓋的耗盡而下降。

審核編輯：郭婷