近期越來越多由電池供電的可攜式系統正不斷增加功能，而這些功能通常要求非常高，基於對高峰值電流的要求，僅具瞬間脈衝之電源，對平均可用電流受限的系統便形成嚴苛設計挑戰。設計者們經常被要求須以新方法來滿足此高負載需求，且前提是不能超過主供電之負荷。
相關應用的最佳實例，可見於許多用於GSM、GPRS、TD-SCDMA 或WiMAX 數據通訊的無線數據卡，這些數據卡通常由電腦資料埠或介面供電，而在兩插入端(Level 0)與Host/Slave(Level 1) 間成功地交涉後，也就具備有限的電流能力。圖1顯示PC卡、CF卡及USB埠的限流。由於這些無線通訊協定皆以TDMA 技術為基礎，因此其傳輸需要高峰值電流，而於接收階段則為較低的電流。不過，儘管如此，其電流仍通常超越來自Host的可用電流。
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| 圖1 各類無線數據卡之限流 |
以GSM功率放大器為例，其於傳輸階段需要高達2安培 的峰值電流，但接收階段卻只需約100毫安培。
為了在這些寬廣範圍中提供補償，設計者一般會透過電容來平均分攤從供電汲取的電流，以便於關機期間儲存能源，並在所需時釋放峰值電流。如果設計者以傳統的電容技術來解決此問題，他們將需要極大的電容，或是平行連接多個電容，才能滿足需求。因此，設計者一般會運用高電容質的超級電容來縮減解決方案之尺寸，而所謂的超級電容，也就表示在相對小型的尺寸中可儲存的高電容值。
超級電容挑戰多重
當運用超級電容時，往往也須面對一些獨特的設計挑戰。電容基本上是兩塊稱為介電質的絕緣材料所分開的平行導電片。電容的價值與導電片的面積直接成正比，並與電介質的厚度成反比，公式如下：
其中C=電容值，
=法拉/公尺之整體電容率，A=導電片面積，D等於介電質的厚度。
超級電容的製造商為達到此高電容值，須要將尺寸縮減至最小，因此運用多孔碳材料為板材，將表面積最大化，同時運用分子化薄電解質為介電質，將導電片間的距離縮減至最小，如此一來，將能製造出從小如16微法拉、大至2.3法拉的電容。
超級電容架構由於具備低值內阻(ESR)特性，因此能提供高峰值的電流脈衝，同時是較少降幅輸出電壓之理想選擇。但唯一的缺點是，電池電壓約為2.2～-2.5伏特，因此在許多應用中，電池必須串聯。根據型式及製造商的不同，這代表必須提高電池平衡，才能確保電池平均分享電壓。
超級電容的低內阻能協助支援峰值電流，但衍生了充電週期的問題。當供應電壓第一次提供至未充電的超級電容時，超級電容即類似一個低值電阻，如果不加以控制或限制，將導致大量急升電流，因此，當設計者運用超級電容時，急升電流的限制是必要的。
目前有幾種可行的解決方案。最簡單的方法是運用串列電阻。在PC卡中，當Host/Card成功交涉前，可被汲取的最大電流是70毫安培。假設PC卡控制器需要此電流的一半以進行交涉，則供電時此超級電容必須被從供電斷開，或透過小於100Ω的電阻(R=V/I)來限制電流。在此條件下，電容將於約6.7分鐘之內充分充電。值得一提的是，這是假設電容以約五個時間常數被充分充電的情況下進行的估計。
另一項更實際的方法是，設計者可使PC卡於Host/Card成功交涉後汲取更多電源，並接著運用一個較低值的電阻來增加充電電流。最初電容的電壓仍然是低的，而電阻中的電源損耗將極高，但隨著電容開始充電及電壓開始上升，電源損耗將減少，而電阻值則進而降低。
在圖2中，可以看到一個由一系列漸次減低電阻值所組成的樣品電路於電容充電週期間被切換。這個方法有兩個須注意的潛在問題。
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| 圖2 低電阻值樣品電路圖 |
首先，切換時間點必須精確計算，因此要求非常精準及昂貴的電阻，或透過數個額外的電壓探測器監控。其次，當電容充分充電並移除PC卡後，儲存於電容的能量可能高到足以損壞連接器針腳。
或者是第三個選擇，設計者可運用工業標準的限流智慧開關來為超級電容充電。這些元件運用內建P或N通道的金氧半導體場效電晶體(MOSFET)作為負載開關，並內建額外的監控及保護電路以限制輸出電流量。大多數智慧開關具備熱過載保護特性，因此在限流情況下，當晶片溫度超過設定的最高值時，此元件將關閉。隨著晶片冷卻，元件將恢復運轉並以低頻進行熱振盪，直到高散逸期間結束。 由於所有智慧開關都是專門設計來提供此功能，因此這並不構成問題，但是，在開關關閉的期間內，電容因無法進行充電，因此將延長充電時間。此外，若沒有額外的電路，將無法在電容充分被充電時加以偵測，以告知系統已備妥而能開始傳送。
新型智慧元件問世
近期電源半導體設計者開發出一個新型元件，而克服了上述相關安全充電超級電容的問題。新型的限流智慧開關整合了用來限制電流的所有電路，因此能保護PC卡連接器、連續地充電電容，並在系統可用時提供通知，確定何時開始重複充電電容。為使系統接腳占位減至最小，新型元件將所有功能壓縮入十二針腳的TSOPJW封裝裡，約僅占小於9mm2的印刷電路板空間。
運用智慧開關的典型應用圖如圖3。此兩元件中的外部可編程限流，並於Host/Card交涉期間被運用來提供不同的限制。當該元件供電時，將在超級電容之間提供低阻抗路徑。如果熱損低，元件最終將進入限流，而電容將繼續充電，直到達到最終值50毫伏特以內，而充電開關將關閉。當電容達到其最終值的98%之內時，內部比較器將感測電壓，並提供一個備妥訊號，以告知外部微控制器傳輸可以開始進行。
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| 圖3 智慧開關應用圖 |
另一方面，在熱損高的情形下，此元件的溫度將迅速上升，直到到達內部設定極限值。此時，元件的內建數位電源迴路將啟動，以感測定期區間的晶粒溫度，來調節晶粒溫度至約100℃，並增加或減少電流為限流設定點的1/32。此控制精粒溫度之能力，可協助保護元件免受損傷，並透過確保超級電容持續充電，使充電時間降至最低。
一般而言，設計者會計量超級電容以使其於傳輸階段的電壓降幅減至最小，並允許於接收階段重複充電。類似新型智慧型元件所增加的可調式磁滯，讓使用者可設定超級電容的停止(Topped Off)點。而此位準之設定值，範圍可從0至低於充飽電的200毫伏特。
新一代高效能數據卡不斷延展新應用範圍，所要求的峰值電流正迫使設計者考慮新解決方案。在這些應用中，設計者通常會轉向超級電容，除了提供高電流外，同時能使充電時間達到最短，並維持小方案尺寸。透過整合所有用來限流、保護PC卡連接器、連續充電電容，並在電容備妥時告知系統的所有電路，新一代的智慧開關將能運用超級電容簡化設計，並將零組件數量減至最少，同時縮小方案尺寸。
(本文作者為AnalogicTech 產品線總監)