重要的是要记住，超级电容有不同的形状、大小和口味，规格也大不相同。例如，一些esr为Ω的数十倍，但非常紧凑和低成本，适合于低能耗应用，而其他esr为50倍mΩ的适用于短时间内提供高功率爆发。亚博国际官网平台网址为了使解决方案可靠，必须明确考虑这些规格和预期的应用程序，以便从给定的产品获得最大的可靠性和性能。更进一步说，能够概念化一种解决方案也很重要，这种解决方案可以利用超级电容技术正在进行的快速改进。因此，拥有一个灵活的平台来围绕它们构建完整的、可定制的解决方案非常重要，这也是GreenPAK™IC的关键价值所在。

请记住以上内容，本应用程序说明的结构是设计思想的“工具箱”。每一个想法都以设计“片段”的形式解决了一个特定的问题，并提出了一个解决方案或其本质。在每种情况下，该片段都由部分硬件示意图和部分硬件示意图组成GreenPAK设计师图表。因此，产品设计师可以选择在给定环境中最相关的产品，并将其集成到定制解决方案中。此处显示的GreenPAK Designer图表使用SLG46537V可编程混合信号ASIC，但通常可以重新配置，以便在其他GreenPAK产品上工作，如果有的话，也只需稍作修改。亚博电竞菠菜

问题1:电池不匹配导致电池过电压

额定电压为5.5V的超级电容器通常由两个电池组成，每个电池的额定电压为2.7V。因此，需要进行电池平衡，以确保每个电池保持在其额定电压范围内，因为超级电容容易受到过压故障的损坏。

解决方案

最简单的单元平衡形式是无源的:每个单元上有一个电阻，所有的电阻都有相同的值。一些能量因此在电阻中不断地损失。事实上，在较高电压的应用中，这些电阻器的值会显著降低。亚博国际官网平台网址例如，Murata的1F 5.5V DMF4B5R5G105M3DTA0超级电容，如果施加的最大电压为4.5V，平衡电阻为47k，但如果最大电压为5V，电阻必须为4.7kΩ。通常在文献中提出的一种标准替代方案是活性细胞平衡。然而，这通常涉及到一个opamp和一对mosfet的使用。在本笔记中，我们采用了不同的策略。这个想法如下图1所示，对应的图2 GreenPAK设计图(参见“AN-1195基于超级电容的备份解决方案(GreenPAK设计1).gp5”)。

图1所示。单元均衡-原理图

这里SLG46537V监控超级电容的整体充电状态。需要注意的是，我们需要使用分压器来监控超级电容电压，原因有二:(1)SLG46537V的Vdd可能低于超级电容充满电时的电压(2)acmp的参考电压不能大于1.2V。

图2。单元平衡-GreenPAK Designer图

图1的原理图显示了超级电容充电到5V时的电压。取R4、VRef1和VRef2两端的电压作为电池电压差的界限。这些电压作为GreenPAK设计器实现(图2)中描述的两个acmp的参考电压，其工作增益为0.33，因此在5V的超级电容电压下，平衡端反映为833mV的电压。当平衡端电压大于VRef1时，Q2处于闭合状态。当Q2开启时，中点电压下降，上层电池充电电流增加，下层电池轻微放电。当平衡端电压低于VRef2时，Q1开启。R1的值是由重新平衡所需的速度决定的，但我们通常可以选择它匹配制造商为被动平衡规定的最低值(例如Murata 4.7k)。因此，在重新平衡的过程中，会有一些浪费的耗散，但这种耗散只在不平衡发生时才会发生，而不像纯粹的被动平衡，浪费的耗散总是在发生。一旦超级电容完全充电和平衡，Q1和Q2都关闭，没有浪费的损耗发生。这使得费用的留存时间大大延长。

当使用GreenFET负载开关而不是常规fet时，我们必须记住，当输入电压低于1.5V时，GreenFET负载开关关闭。这意味着，只要一个电池是小于1.5V，它将不会被绕过，即使GreenFET负载开关通过它得到一个偏置信号。一旦两个电池都通过1.5V，那么平衡就完全生效了。在实际操作中，这意味着电池电压在低电压时不相等，这通常没有任何后果。

实验室测试记录

在这个设计片段的实验室测试中，我们使用了两个不同类型的1.5F超级电容，而不是两个相同的超级电容。在没有平衡电路的情况下充电时，电池组充满电时，两者之间的电压差约为1.5V。

当使用平衡电路充电时，电压最初以不同的速率升高，直到两者都达到2.0V。此后，电压在100mV内匹配，直到电堆充满电。

问题2:保持固定输出电压

与电池不同的是，超级电容的电压在放电时线性下降。因此，我们需要一个从降压转换到升压转换的无缝过渡，以一个固定的输出电压，以充分利用存储的电荷。

解决方案

当超级电容电压高于或低于所需的输出电压水平时，为了保持输出电压稳定，我们需要一个buck/boost转换器IC来处理整个输入电压范围。

一个更简单、成本更低的选择是让GreenPAK通过PWM处理降压转换，但包括在超级电容电压低于设定阈值时切换到外部升压转换器IC的规定。升压转换器有很多选择。一个例子是Diodes，Inc.的PAM2401，它能够从1V开始的输入提供3V3的[可调]输出。另一位候选人是微芯片公司的MCP16251。

图3。一个典型的升压变换器

PAM2401的典型应用原理图如图3所示。对于这个特定的集成电路没有什么特殊的东西;大多数升压变换器有非常相似的输入/输出接线关系，所以为了我们的目的，我们可以将它描述为一个有5个连接的黑盒子，可以添加到基于GreenPAK的PWM控制降压变换器解决方案:

Vin -输入
PG -电源良好指示灯(可选)
EN -芯片启用
输出-输出到负载
接地,接地

问题3：检测老化或电解液干燥

在超级电容失效之前，需要定期测试超级电容的老化或干涸情况。

解决方案

正如村田的《技术笔记》中所描述的，ESR的上升是即将老化或干枯失败的一个很好的指标。因此，该策略包括定期测试ESR，以衡量超级电容的健康状况。(请注意，1 kHz时的ESR通常比直流时的要小。)当在搭车应用中使用超级电容时，电源的来源是几秒到几分钟，ESR必须使用低频率测量。如[7]所述，ESR的最佳测量方法是将超级电容充电到给定的电压，比如5V，然后确定施加负载时输出电压的瞬时降。重要的是，用于测试ESR的负载电流可能远远大于应用程序负载本身。例如，如果我们取一个ESR为50mΩ的高质量1F超级电容，并将其充电到5V，我们将需要1A的负载来检测50mV的下降。

该策略的候选实现如图4所示。假设充电电路在GreenPAK的控制下，当超级电容充满电时，GreenPAK会切断充电。图4显示了这作为一个数字输出标记“充电控制”，信号充电块。最好是在充电完成和超级电容电压稳定后测试ESR。

图4。ESR测试-原理图

瞬时开关S1，“Press to test”，工作如下。它提供DLY2，作为一个使用25kHz OSC0时钟的一次性操作，产生一个大约120us的脉冲。脉冲发送低ON信号到Q2，通过重负载R1放电电容器。在这个放电间隔期间，ACMP0将超级电容电压与一个表示放电开始前电压的参考电压(如下所述)进行比较，如果空载状态下的电压下降超过预定值，将标记一个“ESR警报”，表明ESR看起来高得可疑。EDGE DET0和DFF1锁存输出，以便在简短的脉冲测试后警报仍然可见。如图5所示(见“AN-1195基于超级电容的备份解决方案(GreenPAK设计2).gp5”)，DFF1的数据输入连接到Vdd，但在实验室测试中，它连接到引脚20，如下所示。

图5。ESR测试–GreenPAK Designer图表

在进行测试之前，必须关闭充电器至少15-20秒，以便超级电容的电压有机会稳定下来。

我们是如何选择120us放电间隔的？合理的放电间隔值是多少？假设仅由于ESR，预计标称电压降为50mV。放电持续时间必须足够小，以便在放电结束时，由于电荷本身的损失而导致的电压降远小于50mV，例如50mV或0.5mV的1%。当1F电容器在1A下放电时，这意味着最大放电持续时间为0.5ms。进一步将其与Q1的上升时间进行比较，我们发现SLG59M1641V绿色FET负载开关在5V时的上升时间小于5us。因此，选择大约120us的脉冲时间可以使电容器的放电最小，并且与Q2的上升时间相比足够长。

这里的参考电压是由电容器C2提供的，在充电周期中通过R2充电到与C1相同的电压，但在测试放电期间保持其电压。为了使其可靠地工作，我们选择了R2C2时间常数为0.1s，以及R3 >> R2。因此，在测试放电过程中，我们可以对C2进行如下断言，假设C1上的电压下降了约50mV:

放电电流~ 50mV/10k = 5uA

电压降率= I/C = 5uA/10uF = 500mV/s

放电结束时120us = 500mV/s x .00012s = 0.06mV

这表明在测试过程中，C2两端的电压实际上是恒定的，因此可以作为稳定的参考电压。R3的设置决定了测试期间的允许电压降。注意，我们需要分压器R3/R4，因为超级电容可能被充电到5V，这比Vdd更大，也因为Vref需要停留在ACMP的IN-pin (1.2V)的允许范围内。

无需多说，ESR测试程序必须在确保正在供电的设备的一次电源在测试期间不会出现故障或故障不会有问题之后进行!

实验室测试记录

当对这个设计片段进行实验室测试时，面包板环境可能会由于ACMP输入的噪声而导致虚假结果。在R3的雨刷上加一个1-10uF的电容到地就可以滤除这种噪声。此外，当SLG46537V Eval板通电时，DFF1输出可能锁定到High状态。为了解决这个问题，模拟器的逻辑生成器用于保持引脚20低开始，然后在进行测试之前将输入翻转到高。在测试中，该设计可靠地检测到ESR“增加”500mΩ，通过与超级电容串联添加500mΩ的小电阻来模拟。

问题4：监测环境温度和超级电容波动

超级电容器即使在温和的高温下工作，其寿命也会受到显著影响。超级电容对波纹电流也相对更敏感，这反映在表面加热中。

解决方案

我们实际上在解决两个问题。如[8]所述，10°C;环境温度的升高会使电容器的寿命减半。一般来说，最好在实际使用的低温下操作超级电容。此外，超级电容对纹波电流也很敏感;由于纹波电流，表面温度增加，我们可以测量这种增加来确定纹波是否太高。表面温升与周围环境的关系不应超过3°C。为了实现这些目标，我们可以在超级电容上安装一个模拟温度传感器，在板上安装另一个模拟温度传感器来测量环境温度。大多数低成本模拟温度传感器的灵敏度为10 mV /°C, Microchip公司的MCP9700就是一个很好的例子。典型的模拟传感器由电源端子和模拟电压输出组成。 For the MCP9700 the output is specified at 500mV at 25 °C. Therefore a surface temperature rise of 3 °C leads to a differential output of 30mV that needs to be detected.

在如图6所示的方案中，我们使用两个1N914二极管举起了两个传感器的地面。环境温度传感器升力为530mV，表面温度传感器升力为500mV。我们需要二极管D2的偏置电流约为D1的两倍，使其降高30mV。我们将二极管分别置于100/200uA左右的偏置电流，这个电流远高于传感器本身的电源电流(6uA)，因此传感器的温度变化不会对二极管电流的比值产生实质性影响。电位器可用来精确地把差值设为30mV。请注意，由于是二极管电流的比值设置了电压降差，因此环境温度对这个设置没有影响。

图6。温度/纹波监测-原理图

检测过高环境温度的电路部分非常简单–环境传感器的输出馈送至ACMP，ACMP的参考值可适当设置，如图7所示（参见“基于AN-1195超级电容器的备用解决方案（GreenPAK Design 3）.gp5”）。由于传感器输出在25°C时为1V，我们将增益设置为0.5，以保持ACMP的允许限值。当参考电压为600mV时，当环境温度升高到42°C时，ACMP0将触发。另一方面，ACMP1的参考电压为表面传感器电压的一半，与环境传感器的电压相比（IN+增益为0.5）。因此，当表面传感器输出与环境传感器输出匹配时，ACMP1改变状态，此时我们可以推断表面温度已超过环境温度3°C，因此纹波电流过高。

图7。温度/波纹监测- GreenPAK设计图

在给定的解决方案中，ACMP的输出可以用来触发警报、停止充电等。一个更有趣的动作(这里没有描述)是，如果温度过高，实际上会降低超级电容充电时的电压，因为正是温度和电压的结合导致寿命[8]的降低。

实验室测试记录

要测试这个设计片段，当然不需要一个超级电容——我们主要感兴趣的是测试电路是否能够可靠地测试3°C左右的温升。为了做到这一点，在环境温度约为32°C时，用手指触摸表面传感器。在几秒钟内，nRippleAlert输出开始闪烁，然后随着手指加热传感器变低!由于0.5倍增益模式下ACMP内部分压器的误差，可能需要进行一些初始校准。

除了上面讨论的问题之外，为了完整性，我们还包括了一些相对更容易理解和解决的问题。

问题5：防止电池向后充电

当一堆超级电容器快速而深入地放电时，一些电池可能会受到负电压的影响。为了防止这种情况发生，我们可以在每个电池上添加二极管，这些二极管通常是反向偏置的，但如果各自的电池获得负电压，就会变成正向偏置。

问题6:防止收费过高

超级电容器对过电压很敏感。使用GreenPAK(如SLG46537V)可以解决过充问题，在充电周期中主动监测超级电容电压，一旦达到所需电压就停止充电电流。

问题7:防止过流和短路

超级电容持有大量的能量，并能够高电流放电时，ESR低至几个mΩ。重要的是要有通常的过流保护方法，可能是保险丝，断路器或定制保护解决方案建立在GreenPAK IC的。

结论

在本应用笔记中，我们概述了几个有趣的设计问题和挑战，这些问题和挑战在构建基于超级电容的备份解决方案时需要解决。其中一些与基于电池的备份解决方案遇到的挑战类似，但有些是超级电容所独有的。我们希望GreenPAK的产品设计师能够根据自己的具体情况，采纳并适应这里提出的理念和设计片段。亚博电竞菠菜

AN-1195基于超级电容的备份解决方案:设计工具包

参考文献

介绍

问题1:电池不匹配导致电池过电压

解决方案

实验室测试记录

问题2:保持固定输出电压

解决方案

问题3：检测老化或电解液干燥

解决方案

实验室测试记录

问题4：监测环境温度和超级电容波动

解决方案

实验室测试记录

问题5：防止电池向后充电

问题6:防止收费过高

问题7:防止过流和短路

结论