可满足峰值功率负载的超级电容器介绍

对于今天的大多数设计团队来说，从事空间受限的电池供电的消费电子产品开发工作将成为最具挑战性的产品。除了能够在给定的机箱尺寸内实现所需的功能之外，最重要的考虑因素之一是可用的功率预算。可用于所有电子设备的空间（例如处理器，无线连接和显示器/UI）之间的平衡行为需要与电池的空间相对应。

对于某些应用，例如与具有相机闪光功能的智能手机中的相比，峰值功率负载明显高于任何其他用例，尽管是短暂的。面临这种挑战的工程师可能会考虑使用超级电容器（也称为双电层电容器（EDLC））作为满足峰值负载要求的方法。超级电容器能够存储比方便的电解电容器多100倍的电容，通常可以提供高达4安培的电流，持续40毫秒。这种EDLC也是提供备用电源以适应应用主电源瞬间中断的理想选择。用于固态磁盘驱动器的备用电源，内存备份，实时时钟备用电源以及用作能量收集设备的能量存储器都是使用EDLC的候选电源。

EDLC，与陶瓷或电解电容器不同，不要使用介电层。取而代之的是两个电极之间的电解质，无论是固体还是凝胶状物质（图1）。这种结构的所得电容与电极的表面积成比例，并且通过使用沉积在铝箔上的动力活性炭作为电极，提供相当高的电容值。进出电极表面的离子吸收过程会产生EDLC的充电和放电。

图1：构建超级电容器 - EDLC

EDLC的构造往往因制造商而异，每个都具有略微不同的特征。例如，Murata及其DMT/DMF系列（图2）采用铝质层压薄膜包装，两侧涂有绝缘塑料层。活性炭电极和电解质的夹层构成多层包装，并且每个片材通过分离器机械地和电气地分离。而且，两个电容器形成在单个“袋”封装内，并且除了外部电极之外还与连接到中点的引线串联连接。 Murata产品的一个例子是DMT334R2S47，一个470 mF超级电容器，额定工作电压为4.2 VDC。 TDK采用类似的方法，其EDLC252520系列，例如EDLC252520-351-2F-21,350 mF，工作电压为3.2 VDC。

图2：Murata EDLC封装示例

相比之下，松下与其Gold系列EDLC采用了几种具有不同特性的结构形式。纽扣电池格式用于存储器备份应用和太阳能电池的辅助电源，多层堆叠纽扣电池布置用于工业和汽车存储器备份应用，并且使用更熟悉的圆柱形封装，具有相对低的ESR，用于更高电流的应用，如玩具。一个例子是EEC-S0HD334V，一个330 mF 5.5 VDC工作电压部件。

为了更好地了解EDLC的行为和操作，有必要考虑其等效电路模型。从简单的第一眼看，模型如图3所示。

图3：EDLC的简单等效电路模型

请注意，EDLC中两个电容器单元的组合创建了一个进一步简化的模型。等效电容为一半，有效串联电阻（ESR）加倍。然而，该模型没有考虑活性炭电极的实际行为。由于其沉积导致表面上不同深度的层或孔，离子的移动变化。结果是离子可以快速移动到表面上的活性炭，但是更深层次的离子需要更长时间。表面快速接受电荷，但较深的层需要更长的时间才能完全充电。为了在等效电路模型中考虑到这一点，更精确的表示 - 见图4 - 包含多个并联电容和串联电阻。

图4：EDLC的详细等效电路模型

通常，大多数超级电容器EDLC器件制造商提供的电容值范围从几百毫法拉到几法拉，工作电压通常高达5.5 VDC 。虽然它们的电容值和它们的能量存储能力很高，但它们的物理尺寸往往相对较薄。例如，Murata DMF-4B5R5G 1 F，5.5 WVDC部件尺寸仅为1.181 x 0.515 x 0.146英寸（30.00 x 14.00 x 3.70 mm）。

与钽或铝电容器相比，EDLC可提供100多个倍于储能能力。例如，1.5 F 6.3 V钽电容可提供高达20 mJ的存储能量，而470 mF 4.2 V EDLC可存储2,000 mJ的能量。考虑到钽电容器在发生短路时会引起火灾，它们的费用和铝的大尺寸以及有限的寿命周期，EDLC成为提供高峰值负载或备用电源应用的理想选择。通常可以提供10瓦特，有些则可以提供高达100瓦的输出功率。此外，与使用锂纽扣电池代替EDLC相比，锂电池只能提供非常低的功率。

为EDLC充电通常只需几分钟，取决于有效电阻设备（图5）。由于EDLC具有很少的内部电阻，因此通常不需要任何外部限流电阻。

图5：EDLC充电之间的关系 - 内阻和时间

图6显示了基于恒流放电的EDLC放电周期的一般模型。

图图6：EDLC恒流放电的典型放电曲线

图7说明了Murata DMF系列EDLC的这种情况。由于内部ESR，在放电时存在初始电压降，当出现较大的电流条件时，电压降较大。然后EDLC的电压开始随时间下降。这种下降的速度取决于消耗的电流和标称电容值。在恒定功率放电的情况下，电压和时间之间的关系不是线性的，并且基于放电功率（P），标称电容（C）和瞬时电压电平V形成更多曲线，由dv/dt = P/CV。

图7：Murata DMF EDLC的放电曲线

如前所述，有一些用于EDLC的理想用例。

图8显示了使用EDLC作为平衡电池设计中负载峰值的方法。提供额外的电力来补充电池电源输出，当负载需求超过单独的电池能够提供时，组合电源满足应用需求。

图8：高峰负载均衡

在本文简介中提到的用例场景中，提供EDLC以提供图9中示出了高峰值功率能力。这样的峰值负载可以是智能电话上的相机闪光功能或者适应电机启动峰值负载。通过使用EDLC代替使用更高额定电池的这些功能，设计工程师可以降低整体BOM成本并将所需空间降至最低。这在当今空间受限的消费电子设备中尤为重要。

图9：高峰功率功能

EDLC也可以用于存储电源不频繁但仍存在稳定负载条件的能量。参见图10.使用能量收集代替电池并且没有其他可靠电源可用的概念吸引了那些开发用于物联网（IoT）应用的传感器应用。从多个来源（如太阳能电池和振动采集器）收集的能量可以很容易地存储在EDLC中，以便为无线传感器应用提供可靠的电源。

图10：能量收集应用的能量存储

最终用例是为内存应用提供临时备用电源，如固态驱动器（SSD），如图11所示SSD的电源中断是一个关键事件。由于依赖于高速缓冲存储器，如果电源突然失效，任何未决的磁盘/高速缓存写入很可能会丢失，因为不会发生正确的待机/关闭过程。为了防止数据丢失和可能损坏的磁盘分区，可以使用EDLC确保关闭和/或缓存写入过程可以无错误地发生。

图11：固态驱动器的备用电源

EDLC越来越受设计工程师的青睐，如电池和大电容器替代品。能够提供高能量，占用很小的电路板空间并具有良好的可靠性和老化特性，EDLC将非常受欢迎。