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(多图) 超级电容器后备电路提供可靠的不间断电源

Samuel Nork?? 凌力尔特公司波士顿设计中心主任?? 2014年07月28日 ?? 收藏0

“健康” 监测确保了可靠性并优化了性能

在需要短期后备电源的高可靠性系统中,必须储存并可提供足够的电能以在发生主电源故障之后立即执行关键的功能。后备能量源输送必要后备功率的能力是不可或缺的。超级电容器因其极高的单位体积电容和非常低的 ESR 而成为此类应用的绝佳选择。不过和电池一样,其性能也会随着时间的推移而下降。电容器使用寿命通常 (而多少有些随意) 被定义为电容下降 30% 和 / 或 ESR 增加 100% 所需的时间。如图 4 所示,电容器性能的劣化会由于高工作电压和高温而加快。由于电容和电容器 ESR 对于确保系统执行可靠后备的能力均非常关键,因此系统应能够监视和报告后备电容器老化过程中的 “健康状况”,这一点是很重要。

图 4:典型超级电容器使用寿命与温度和电压的关系。
图 4:典型超级电容器使用寿命与温度和电压的关系

当电容器组满充电时,LTC3350 可自动地以一种由用户选择的时间频率对电容器组的电容和 ESR 进行监测。该器件采用一个精准的电流源、精准的定时电路及其内部 14 位 ADC 来准确地监视电容器组的电容。在充电器被强制关断的同时从电容器组的顶端获取一个精确的编程电流。精确地测量电容器组下降 200mV 所需的时间,并利用这些参数计算电容器组的电容。一旦电容测试完成,随即通过在高电流充电器运行 (以对电容器组进行再充电) 及不运行的情况下测量电容器组电压来实施 ESR 测试。采用充电器来完成此项测试可免除增设一个外部高功率测试负载的需要。充电器启用时电容器组电压的瞬间上升相当于实测充电电流 x 电容器组 ESR。最新的电容和电容器 ESR 数值可以随时通过I2C回读。

一旦获知了电容器组的电容和 ESR 值,确保给定应用之可靠后备所需的最小电容器组电压之计算就十分简单了。由于大多数后备系统在设计时都留有内置裕量,所以把电容器组电压从其标称值降低往往是安全的,由此可最大限度地延长电容器的寿命。这可以通过 LTC3350 VCAP 反馈 DAC 电压的软件控制轻松地实现。

结论

超级电容器兼具非常高的电容和非常低的 ESR,因而使其能够为应对诸如后备电源解决方案等常见问题提供全新的方法。然而,性能的大幅跃升往往伴随着权衡取舍。为了有效地利用超级电容器常常必需进行电容器单元的串接,这反过来又需要保护和平衡电路。虽然超级电容器的循环寿命和使用寿命总体而言可能远远超过同类竞争的电池技术,但是电容器电压和温度的小幅变化均有可能导致系统性能在其运作期间发生巨大的波动。为此,在任何基于电容器的后备系统中,“健康” 监测通常都是一种必需具备的功能。LTC3350 等新型产品旨在解决诸如此类与超级电容器后备应用尤为相关的问题,并为开发可靠、灵活、高性能的后备解决方案提供了尽可能简单的方法。

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超级电容器? 备用电路? 充电? 监测?

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