從家庭自動(dòng)化到工業(yè)機(jī)器人，我們的網(wǎng)絡(luò)世界要求電子系統(tǒng)提供持續(xù)的可用性，從而需要永久的——通常是獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)的——能源供應(yīng)?？沙潆婋姵貙?duì)于這些系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是實(shí)用且可靠的，直到它們達(dá)到使用壽命，當(dāng)它們必須更換或丟棄時(shí)。經(jīng)典的固體電解質(zhì)電容器提供了一種更環(huán)保且成本中性的替代方案，但很快就會(huì)達(dá)到其極限，輸出要求超過(guò) 100 mW。Supercap 雙層電容器提供高功率密度和長(zhǎng)工作壽命，但介電強(qiáng)度低。電子系統(tǒng)需要在這些技術(shù)之間進(jìn)行折衷，解決方案結(jié)合了經(jīng)典電池和雙層電容器的優(yōu)點(diǎn)而不受限制。

表：電容器和電池系統(tǒng)的基本比較。

ENYCAP 196HVC 器件的物理單節(jié)電池標(biāo)稱最大電壓為 1.4 V，無(wú)需特殊平衡措施即可串聯(lián)互連，從而實(shí)現(xiàn)更高的標(biāo)稱電壓。目前，可以獲得 8.4 V 的電壓和 4 F 到 90 F 之間的電容值。

由于它們的低結(jié)構(gòu)高度（<2.5 mm）和易于組合的選項(xiàng)，這些單元可以很好地適應(yīng)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)空間，這通常非常有限，有時(shí)位于 PCB 層之外的“第三”維度。

圖 1：ENYCAP 結(jié)構(gòu)形式變化。

混合動(dòng)力系統(tǒng)可以達(dá)到 >13 Ws/g (>3.6 Wh/kg) 的非常高的能量密度，因此是傳統(tǒng)電池的可行替代品。此外，這些儲(chǔ)能電容器的特點(diǎn)是雜散電流和自放電極低。?

功率平衡如圖 2 所示，它顯示了根據(jù)當(dāng)今最先進(jìn)技術(shù)的 ENYCAP 存儲(chǔ)電容器的最佳分類。

圖 2：電容器、電池和混合電容器的功率平衡圖。

正如上面示例中已經(jīng)暗示的那樣，必須針對(duì)相應(yīng)的應(yīng)用程序調(diào)整特定參數(shù)以選擇正確的組件：?

備用能量和時(shí)間間隔。在這里，深度放電之間的時(shí)間段，特別是直到第一次備份的時(shí)間是特別關(guān)鍵的。

特定的峰值功率和峰值電流要求。

備用解決方案的輸出電壓電平；特別是最低電壓電平。

可用于加載儲(chǔ)能設(shè)備的輸入電壓范圍；特別是最大范圍。

一次能源的阻抗。對(duì)于具有低 ESR 的系統(tǒng)，可能會(huì)出現(xiàn)極高的充電電流尖峰。

防止完全放電、短路、反極性、過(guò)壓和過(guò)熱。

用于高級(jí)電源管理系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)設(shè)備和數(shù)據(jù)總線信號(hào)的充電狀態(tài)控制。

整個(gè)系統(tǒng)的成本。? ?

以上參數(shù)僅是最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇。為了說(shuō)明復(fù)雜性，下面的原理圖（見(jiàn)圖3 和圖 4）將顯示充電電流、放電電流和電壓隨時(shí)間變化的基本曲線圖?？梢郧宄乜吹交旌蟽?chǔ)能和經(jīng)典超級(jí)電容器之間的行為差??異。

圖 3：雙層電容器作為備用電源。

圖 4：ENYCAP 作為備份源。

從電壓圖中可以觀察到雙層電容器的良好充電和快速充電行為（如適用）?？梢钥闯觯捎诘?ESR，必須對(duì)極端電流充電峰值采取預(yù)防措施。此外，在備用電源恒定的情況下，放電電壓的線性下降會(huì)導(dǎo)致放電電流不成比例地增加，并導(dǎo)致 dc/dc 轉(zhuǎn)換器的恒定反向調(diào)節(jié)以及高電流峰值。在某些情況下，必須考慮電容器上更高的紋波電流。

由于其更高的串聯(lián)電阻和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，混合雙層電容器的特點(diǎn)是充電行為更溫和。電容器上的標(biāo)稱電壓在很早的階段就達(dá)到了，允許喚醒開(kāi)關(guān)和低功耗傳感器應(yīng)用的簡(jiǎn)單操作。在工作范圍內(nèi)幾乎恒定的電壓曲線和由此產(chǎn)生的恒定放電電流也是有利的。與雙層電容器相比，控制電子設(shè)備當(dāng)然可以簡(jiǎn)化。相對(duì)高的初始電壓降是一個(gè)缺點(diǎn)。

為了減輕這些系統(tǒng)差異給用戶帶來(lái)的負(fù)擔(dān)，重要的是為客戶提供集成了充電和放電等基本功能（見(jiàn)圖5）和所需保護(hù)電路的復(fù)雜解決方案和設(shè)計(jì)參考. 如果可能，存儲(chǔ)元件和充電控制器的制造商必須提前合作，以使特定條件適應(yīng)系統(tǒng)。

圖 5：使用 LTC3355 的充電和備份框圖。

例如，參考設(shè)計(jì)將應(yīng)急電流解決方案與充電控制器電路和備用轉(zhuǎn)換器集成在一起，包括評(píng)估功能和所有保護(hù)功能所需的電流測(cè)量傳感器。此外，該系統(tǒng)可以使用ENYCAP、雙層電容、經(jīng)典電容和電池運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)主電源加充電功能和備用電源的自動(dòng)切換。為此，充電電壓（1.3 V 至 3.2 V）、充電電流（35 mA 至 600 mA）、放電電壓（>1 V）和放電電流限制（100 mA 至 5 A）可以在多個(gè)范圍內(nèi)變化，并且可以很容易地適應(yīng)客戶的情況。充電過(guò)程可以使用恒流或恒壓調(diào)節(jié)器。?

提供的降壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為負(fù)載的編程電源電壓并為備用能量存儲(chǔ)設(shè)備充電。在電源電壓中斷的情況下，同樣集成的升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)保持負(fù)載上的輸出電壓而不會(huì)中斷，直到二次能源耗盡。最重要的是，如果約 1 V 的最小電容器電壓被削弱，則輸出側(cè)的簡(jiǎn)單負(fù)載開(kāi)關(guān)會(huì)關(guān)閉負(fù)載。這避免了連接的穩(wěn)壓器的完全放電和恒定線性操作。?

LTC3355 IC 執(zhí)行所需的所有功能，例如，在用于服務(wù)器或 IPC 的智能電源管理系統(tǒng)中。監(jiān)控電壓 VIN、VOUT 和 VCAP，關(guān)于能源負(fù)載狀態(tài) (CPGOOD) 和自動(dòng)切換到備用儲(chǔ)能設(shè)備 (PFOB) 的電源的基本信息（開(kāi)漏信號(hào)輸出），以及負(fù)載調(diào)節(jié)，可用。該穩(wěn)壓器可處理 4.0 V 至 20 V 的輸入電壓，并提供 3.0 V 至 5.0 V 的穩(wěn)壓輸出電壓。該組件具有集成的過(guò)熱保護(hù)功能，還可用于監(jiān)控最大允許電流。

圖 6：評(píng)估設(shè)計(jì)套件 (MAL219699001E3)。

ENYCAP 儲(chǔ)能電容器具有比電池更高的功率密度和比經(jīng)典雙電層電容器 (EDLC) 更高的能量密度。因此，比電池更快的充電和放電時(shí)間是可能的。我們建議對(duì)備用系統(tǒng)等應(yīng)用進(jìn)行脈沖充電。這背后的想法是，ENYCAP 最初被充電至其能量存儲(chǔ)容量的最大值，然后通過(guò)單獨(dú)的電脈沖將充電狀態(tài)保持在涓流模式。這可以補(bǔ)償自放電，并使電容器保持在理想的工作條件下。如果充電持續(xù)進(jìn)行，并且只有在供電中斷時(shí)才關(guān)閉，產(chǎn)品的使用壽命將大大縮短。最大充電電壓應(yīng)設(shè)置在比指定標(biāo)稱電壓（額定電壓）高 2% 到 3% 之間。這可以補(bǔ)償產(chǎn)品內(nèi)部電阻上的電壓降。電池電壓總是低于充電電壓。將儲(chǔ)能電容器加載到滿標(biāo)稱電壓是非常重要的。不應(yīng)使用更??高的電壓。必須考慮到充電電流*充電時(shí)間的乘積等于最大充電量。只有這樣才能實(shí)現(xiàn)最大程度的有效性和最高可能的能量存儲(chǔ)。不應(yīng)使用更??高的電壓。必須考慮到充電電流*充電時(shí)間的乘積等于最大充電量。只有這樣才能實(shí)現(xiàn)最大程度的有效性和最高可能的能量存儲(chǔ)。不應(yīng)使用更??高的電壓。必須考慮到充電電流*充電時(shí)間的乘積等于最大充電量。只有這樣才能實(shí)現(xiàn)最大程度的有效性和最高可能的能量存儲(chǔ)。

ENYCAP 196 HVC 系列電容器指定用于 –40° 至 +85°C 的正常存儲(chǔ)條件。但是，存放一年后，部件應(yīng)通電并充電。自放電率低。完全充電的電容器的永久充電電壓必須限制在≤20 μA；否則，產(chǎn)品會(huì)提前老化。如果流過(guò)更高的電流，則必須確保將 ENYCAP 196 HVC 從電路中移除。還必須避免完全自放電。大部分能量可以從 1 V 到 1.4 V 之間的單個(gè)電池中移除。低于 1 V 的電池電壓會(huì)導(dǎo)致深度放電。因此，低放電電流已經(jīng)對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

在選擇其他組件時(shí)，非常注意確保低直流電路損耗、低溫度因數(shù)和高效率電感，以盡可能充分利用可用能量。此外，還實(shí)施了帶有 TVS 二極管的輸入保護(hù)電路，以避免整個(gè)電路發(fā)生過(guò)壓事件。
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