MAX38886/8/9系列超级电容器连接电压平衡技术

摘要

对于需要充电到2.5V或2.7V以上的超级电容器,由于标准超级电容器的额定电压为2.7V,成本较低,工程师不得不将多个超级电容器串联起来。本应用笔记回顾了MAX38886/MAX38888/MAX38889备份稳压器串联超级电容器连接中的电压平衡技术。

简介

超级电容器在储能应用中的使用正在迅速增加,如手持工业设备、可拆卸电池的便携式设备、工业传感器和执行器等。当这种应用需要比普通2.7V的超级电容器更多的电压时,可以选择将多个超级电容器串联起来。但是由于电容容差、泄漏电流和ESR的不同,每个电容上的电压分布并不均匀。这导致了超级电容器之间的电压不平衡,因为一个超级电容器的电压会比另一个超级电容器的电压大。随着超级电容器的温度和寿命的增加,这种电压不平衡变得最严重,一个超级电容器上的电压可能会增加到超过额定电压。保持每个超级电容器之间的电压平衡是非常重要的,以确保长时间的运行寿命。

MAX38886/MAX38888/MAX38889 4A/2A可逆降压升压稳压器用于备用电源应用

MAX38886/MAX38888/MAX38889存储电容器或电容器组备份稳压器设计用于在可逆降压和升压操作中使用相同的电感有效地在存储元件和系统供电轨道之间传输电力。当主电源存在并且高于最小系统电源电压时,调节器以降压模式工作,并以设定的峰值电感电流对存储元件充电。当主电源被移除时,调节器在升压模式下工作,防止系统降至最低工作电压以下,以设定的峰值电感电流放电存储元件。

对于本研究,我们考虑以下测试用例。
系统正常运行时的最大电压VSYS= 5 v。
备份操作时系统最低电压VSYS_MIN= 4.75 v。
超级电容器充电时最大电压VSC_MAX= 4.5 v。

超级电容器MAX38886/MAX38888/MAX38889的串联

对于这种应用,超级电容必须充电到4.5V,在备份过程中,当实际系统电压缺失时,超级电容电压升压并调节到4.75V。这种情况下的应用电路如图1所示。

MAX38888应用电路

图1。MAX38888应用电路。

在图1的应用电路中,超级电容器的额定电压为2.7V,这是超级电容器的标准额定电压。因此,我们串联使用了两个11F超级电容器来提高额定电压。一旦充电模式开始,超级电容器充电到4.5V,测量每个电容器之间的电压如表1所示。

表1。每个超级电容器的测量电压。
VSYS
(V)
VCAP_TOTAL
(V)
VCAP_TOP
(V)
VCAP_BOTTOM
(V)
电压差
(mV)
5.0
4.43
2.17
2.26 97.00

表1显示,顶部和底部超级电容器之间的电压差为~97mV,该读数是在+25°C环境温度下获得的。泄漏电流、电容和ESR随温度和寿命的变化而变化。例如,该应用电路中使用的超级电容器在+25°C环境温度下的泄漏电流为6µa,在+65°C温度下的泄漏电流增加到~300%。超级电容器参数的这些变化有时可能导致电压不平衡的增加,一个电容器也可能看到一个大于额定电压的电压。从长远来看,这也可能损坏超级电容器或迅速降低超级电容器的寿命。

有一些方法可以通过添加额外的组件来保持每个电容器的电压平衡。以下是一些方法,有助于保持整个超级电容器的电压平衡。

电压平衡方法

  1. 电压平衡与平衡电阻/无源方法。
  2. 电压平衡使用运算放大器电路。
  3. 电压平衡采用SAB自动平衡MOSFET阵列/有源方法。

1.电压平衡与平衡电阻/无源方法


在超级电容器之间平衡电压的最简单和最经济的方法是在每个超级电容器之间连接相等的电阻。由于电阻永久性地连接在超级电容器之间,电阻中的功耗将是连续的。横跨超级电容器连接的平衡电阻如图2所示。

电压平衡使用平衡电阻

图2。电压平衡使用平衡电阻。

当100 k ?在每个超级电容器上使用电阻,每个超级电容器上的电压测量如表2所示。

表2。测量电压跨每个超级电容器与电阻平衡电路
VSYS
VCAP_TOTAL
(V)
VCAP_TOP
(V)

风投AP_BOTTOM
(V)

电压差
(mV)
5.00
4.40
2.18
2.22
44.00

使用这种方法有一些缺点。必须选择电阻器值,使其提供显著的电流吸引,以实现可接受的电压平衡。同时,电阻器的值越小,超级电容器的功耗就越大。随着超级电容器温度和寿命的增加,漏电流也会增加,这使得电路随着时间的推移越来越不有效。如果选择的电阻值很高,则需要很长时间来平衡超级电容的电压。


2.电压平衡使用运算放大器电路


使用平衡电阻的上述附加电路具有持续的功率损耗和损耗。为了降低功耗和保持电压平衡,平衡电路可以使用运算放大器来实现。这种解决方案可以提供更快的电压平衡,即使使用高电阻值作为阶梯网络。

为了减少额外电路中的功率损耗,请选择消耗更少功率的运算放大器,如MAX4470,它需要至少750nA的超低供电电流。运放的工作电压应高于超级电容的最大电压。可能需要一个阻尼电阻以避免异常振荡。

电压平衡使用运算放大器电路

图3。电压平衡使用运算放大器电路。

当超级电容器两端的电压不平衡时,图3中的平衡电路将处于有源状态。一旦每个超级电容器之间的电压达到平衡,这个电路就会消耗更少的功率。因此,这种电路是一种高效节能的方法。我们用的是2 x 2.2M?电阻穿过超级电容器到地,IC消耗了更少的电源电流。总功耗明显低于早期的无源方法。

使用运放方法测量每个电容器上的电压,如表3所示。

表3。用运算放大器平衡电路测量每个超级电容器的电压
VSYS
VCAP_TOTAL
(V)
VCAP_TOP
(V)
风投AP_BOTTOM
(V)
电压差
(mV)
5.00
4.33
2.17
2.16
3.50

图4中的波形显示了超级电容器充电和运放电路用于电压平衡时的启动行为。波形显示VSYS(黄色),VCAP_TOTAL(蓝色),VCAP_TOP(橙色),VCAP_BOTTOM(粉色)。

使用运算放大器平衡电路的超级电容器充电期间的启动波形

图4。使用运算放大器平衡电路的超级电容器充电期间的启动波形。

3.专用ic平衡电路


目前很少有专用的基于ic的超级电容器自动平衡MOSFET阵列可以作为超级电容器的有源平衡电路。这些MOSFET阵列提供堆叠串联超级电容器的自平衡,同时耗散接近零的泄漏电流,实际上消除了额外的功耗。串联堆叠是连续监测和自动控制其电压和泄漏电流的平衡。

这是一种特殊类型的MOSFET,具有非常严格的门阈值电压规格。设置的超级电容电压应为阈值电压的两倍。每个电容器将充电到栅极阈值电压。但这将是一种昂贵的电压平衡方法,因为这些专用ic的成本更高。

无源、有源电压平衡方法的比较

表4显示了所讨论的每种电压平衡技术的总体比较。

T能力4。电压平衡技术的总体性能比较
参数 电阻电路 运放电路 专用集成电路
电路的成本 媒介
电压平衡性能 媒介
电力消耗
工作电压单位 没有限制 有限的 有限的
组件数量 2 4 1
实现 容易 温和的 容易

结论

本应用笔记讨论了为什么串联超级电容器连接需要电压平衡,并回顾了串联超级电容器连接的不同电压平衡技术。比较了每种技术的性能。