兼具小尺寸/長壽命優勢　超級電容拓展中/高功率應用

但超級電容也有部分限制，如每顆超級電容最大值限制為2.5伏特(V)或2.75伏特，在疊置式應用中必須補償漏電流之差。此外，在大的充電電壓和高溫時，其壽命縮短得更快。

早期，兩顆超級電容充電器是為了在3.3伏特、三顆AA或鋰離子/聚合物電池實現小電流充電而設計的，因為這些積體電路採用升壓架構。不過，超級電容技術的改進，已經使市場擴大，產生很多未必局限在消費性電子產品領域的中至較大電流的應用。主要應用包括固態硬碟和大量儲存備份系統、工業個人數位助理器(PDA)和便利易用的終端等大電流可攜式電子裝置、資料記錄儀、儀表、醫療設備、以及各種謹守最後一刻的工業應用，例如保安設備和報警系統。

其他消費類電子產品應用包括具大功率突發的應用，如相機中的發光二極體(LED)背光源閃光燈、國際個人電腦記憶卡協會(PCMCIA)卡和整體封包無線電服務(GPRS)/全球行動通訊系統(GSM)收發器，以及可攜式設備中的硬碟機(HDD)。

多個超級電容串聯疊置成新挑戰

雖然超級電容有優勢，但當兩個或更多電容串聯疊置時，仍存在潛藏的問題，如容量平衡、於充電時電容過壓損壞、汲取過大電流、占板面積大等，若要達成頻繁的大峰值功率突發，也需要較大的充電電流。

此外，很多充電電源受限於電流，如在電池緩衝器應用或在通用序列匯流排(USB)/PC卡環境中。對於空間受限、較大功率的可攜式電子設備而言，克服這些棘手的狀況儼然廠商的當務之急。

若使串聯的超級電容達到容量平衡，可確保每個電容上的電壓接近相等，而超級電容如果缺乏容量平衡，可能會導致過壓損壞。就小電流應用而言，充電泵容配一個平衡電阻的外部電路給每個電池，不但能解決問題，又不必花費太多金錢。正如以下說明，平衡電阻值主要取決於電容的漏電流，為了限制平衡電阻引起的漏電流，以防止干擾超級電容能量存儲，因此設計00過壓保護。

就中等到較大的功率應用而言，另一個可解決超級電容充電問題又能節省花費的方法，是採用一個電流受限的開關，再加上獨立式零組件和外部被動元件。若採用這種方法，電流受限的開關提供充電電流和電流限制，電壓基準和比較器積體電路同時提供電壓箝位元，最後具平衡電阻器的運放(吸收/供應)則實現超級電容的容量平衡。然而，穩流電阻值越低，靜態電流就越高，造成電池運行時間越短，但相對地節省費用。不過，這種解決方案並不完善，而且只能增進些許的性能。

上述滿足超級電容充電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合，並交由具自動容量平衡和電壓箝位元的兩顆串聯超級電容利用。而一款用於中至大功率應用的單片超級電容充電器IC則提供解決方案，無需電感器、平衡電阻器，並擁有各種工作模式和低靜態電流。

電阻編程防範過壓損壞

一種使用兩顆超級電容的2A線性充電器系列新元件(圖1)，用於可攜式和資料存儲應用中，滿足大峰值功率、資料備份和謹守最後一刻應用的需求。該元件採用具熱量限制的線性定電流、定電壓架構，用鋰離子/聚合物電池、USB埠或2.7～5.5伏特電流受限電源，將兩顆串聯的超級電容充電至可編程的輸出電壓。

圖1　LTC4425方框圖/應用電路

這種新元件具有充電電流曲線模式和超低壓降穩壓器(LDO)兩種模式。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，將超級電容組中的頂端電容充電至輸入電壓V_IN，而LDO模式以固定充電電流將電容組中的頂端電容充電至外部設定的輸出電壓，該固定充電電流也可從外部進行編程。

充電電流可透過電阻器編程至2A，而且每個電容都受到內部分路器保護，以免過壓損壞。IC內置的電流受限的理想二極體具有極低的50毫歐姆(mΩ)導通電阻，以防止V_IN向後驅動，因此適合多種大峰值功率電池和USB供電設備、工業PDA、可攜式儀表和監視設備、功率計、超級電容備分電路以及PC卡/USB網卡。

此2A線性充電器的自動容量平衡功能保持兩顆電容具有相等的電壓，因此無需容量平衡電阻，同時保護每顆超級電容免受過壓損壞，並最大限度地降低電容上的漏電流。當輸出電壓處於穩定狀態時，該IC以20微安培(μA)靜態電流工作，停機時僅從V_IN和V_OUT兩者之中較高的一個獲取2μA電流。

基本充電電路僅需六個外部元件，十分精小。其他特點包括一個VIN電源失效指示器以及透過PROG接腳連續監視V_IN至V_OUT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V_IN至V_OUT電流限制。

外部電阻分壓器決定輸出電壓

在LDO模式時，透過FB接腳用一個外部電阻分壓器網路設定V_OUT，該分壓器網路由R_FB1和R_FB2組成，而充電電流透過PROG接腳以一個外部電阻R_PROG設定(圖2)。充電器控制電路由一個定電流放大器和一個定電壓放大器組成。當啟動該IC，以為一個已放電的超級電容組充電時，最初定電流放大器將發揮控制作用，並伺服PROG接腳電壓至1伏特。

圖2　兩顆超級電容2A線性充電器方框圖

透過PROG電阻的電流乘以約一千的感測金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)(MPSNS)和功率MOSFET(MPSW)之比，進而為超級電容組充電。當輸出電壓V_OUT接近設定值時，定電壓放大器接管控制權，而且如果有必要則減少充電電流，以保持FB接腳電壓等於一個1.2伏特的內部基準電壓。因為PROG接腳電流始終約為充電電流的千分之一，所以PROG接腳電壓持續指示實際充電電流，即使在定電壓放大器發揮控制作用時也是如此。

電壓差量測控制晶片功耗

當FB接腳短路到V_IN時，該元件進入充電電流曲線模式。在這種工作模式時，定電壓放大器從內部禁止，但是充電電流仍然透過外部R_PROG電阻設定。如果輸入至輸出電壓差(V_IN-V_OUT)超過750毫伏特(mV)，充電器提供的電流是設定充電電流的十分之一，以限制晶片內的功耗。

當V_OUT在250毫伏特以內或較接近時，隨著這個電壓差從750毫伏特開始下降，充電V_IN電流線性增大至其滿設定值。當V_OUT進一步上升時，充電器場效電晶體(FET)兩端的電壓變得太低，以至於無法支援滿充電電流。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(圖3)。既然充電器FET R_DS(ON)近似為50mΩ，在設定充電電流為2安培(A)時，FET將進入符合歐姆定律歐姆的三極管區，且當V_OUT與V_IN相差約100毫伏特以內時，充電電流將開始下降。

圖3　2A線性充電器充電電流與電壓差

電壓箝位元電路避免過熱損壞

2A線性充電器配備的電路可將超級電容組中兩個超級電容兩端的電壓限制到最高可允許電壓V_CLAMP，有2.45伏特或2.7伏特兩個透過SEL接腳可選的V_CLAMP預置電壓。就較低的2.45伏特 V_CLAMP電壓而言，SEL接腳應該設定為邏輯低位準；而對於較高的2.7伏特V_CLAMP電壓，該接腳則應設為邏輯高位準。如果底端電容兩端的電壓(即V_MID接腳電壓)先達到V_CLAMP，N型金屬氧化物半導體(NMOS)並聯電晶體就導通，並開始從底端的電容向地洩放電荷。同樣的，如果頂端電容兩端的電壓(V_TOP)先達到V_CLAMP，P型金屬氧化物半導體(PMOS)並聯電晶體就導通，並開始從頂端的電容向底端的電容泄放電荷。

當任一超級電容兩端的電壓與V_CLAMP相差50毫伏特以內時，互導放大器就開始降低充電電流。到任一並聯元件接通時，充電電流降至設定值的十分之一，而且只要該並聯元件接通，這個值就保持不變。這是為了防止並聯元件遭過大熱量損壞。控制並聯元件的比較器有50毫伏特的遲滯，當任一電容兩端的電壓降低50毫伏特時，並聯元件斷開，並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。如果兩個電容都超過它們的最大可允許電壓V_CLAMP，主充電器FET則完全關斷，且兩個並聯元件都導通。兩個並聯元件是電流反射鏡，保證分走比透過充電器FET的電流更大的電流。

2A線性充電器還配備一個內部漏電流平衡放大器(LBA)，使中點(即V_MID接腳)電壓準確地等於輸出電壓V_OUT的一半。由於其受限的1毫安培供應和吸收能力，它被設計成用來處理由漏電流引起的超級電容的輕微失配，而不是用來糾正由缺陷引起的任何嚴重失配。只要有輸入電壓存在，平衡器就工作。有該內部平衡器，就無需外部平衡電阻器。

超級電容趨向高峰值/長壽命

超級電容目前正用於一度由電池主導的應用中。最初的應用是小電流，不過隨著相關技術的進步，超級電容現在已經用於消費性和非消費性市場上多種中至高功率的應用。如將超級電容與電池相比，超級電容具有很多固有的優點，如可提供較高的峰值功率、較長的週期壽命以及較小的外形尺寸。

不過，採用超級電容的產品設計者面臨很多挑戰，如達到容量平衡及潛在的超級電容過壓損壞等。上述介紹的2A線性充電器(表2)具自動容量平衡、電壓箝位元、各種工作模式以及小電流消耗。要構成一個可比較的解決方案，至少需要四個IC，包括一個電流受限的開關用於電流限制、一個運放和電阻值很大的平衡電阻用於低Iq自動容量平衡，以及一個電壓基準和比較器IC用於調節和限制超級電容電壓，再加上一些被動獨立式零組件。該元件還具有小接腳占位，有很多實用功能，從而減小總解決方案尺寸，另一方面，又可達到更精簡設計。

(本文作者任職於凌力爾特)