为什么MOSFET是自动平衡超级电容器泄漏的最佳选择

设计团队现在正在将超级电容器用于能量收集、办公自动化、备份系统等领域的一系列新产品。这些超级电容器电池提供高效的存储，可以根据需要快速释放能量。为确保最佳性能和较长的产品生命周期，必须平衡超级电容器的电压。如果由于电池之间的泄漏电流差异而出现不平衡，则可能会触发能量消耗，从而导致超级电容器电池过早失效。

超级电容器，也称为超级电容器，可为关键任务数据保护和电池备份应用提供高功率、快速充电和放电、峰值功率削减和备用电源功能。它们正在成为电力需求不超过 30 秒的应用的流行选择。

超级电容器也在提高能量密度的标准。随着电池逐渐增加功率密度，它们可以更有效地缓冲和储存能量——从而最大限度地提高能量收集工作。

问题是：每个超级电容器在电容、内阻和漏电流方面都有容差。这可能会造成电池电压的不平衡。必须平衡超级电容器，以确保电压不超过超级电容器的最大额定电压。

电源系统设计人员应选择同一制造商的超级电容器，以确保初始电池电压值落入相似的范围内。其次，必须对由单个电池中的漏电流引起的任何电池电压不平衡进行补偿。

有两种用于调节超级电容器电池电压的平衡方法：主动式和被动式。在被动平衡方法中使用低阻值电阻。这种方法会消耗功率并且不会对温度变化做出响应。主动平衡技术通过运算放大器 (op-amps) 或使用 MOSFET 的电流平衡来实现。

以下是超级电容器串联堆叠的两种情况。第一种情况是具有自动平衡功能的超级电容器，第二种情况是没有自动平衡功能的超级电容器。这两种设计方案之间的差异将证明需要一种能够自动纠正变化漏电流影响的平衡方法。

没有自动平衡的超级电容器

漏电流会导致电压不平衡和功耗。电源系统设计人员必须补偿每个超级电容器单元的泄漏电流。否则，如果超压长时间超过电池的额定电压，超级电容器的使用寿命可能会缩短甚至永久损坏。

下图(图 1)显示了两个超级电容器在没有自动平衡机制的帮助下串联。它描述了泄漏电流如何随差分电压上下移动。如果不平衡，此问题可能会因过压效应而导致故障。

图 1：两个超级电容器串联连接的视图，没有自动平衡机制。

图 1 说明在 2.3 V 时，上超级电容器的漏电流为 1.6 µA，而下超级电容器的漏电流为 0.8 µA。如果这两个超级电容器不能平衡和均衡泄漏电流，则下部超级电容器可能会由于电压过高而永久失效。

具有自动平衡功能的超级电容器

图 2 说明了 MOSFETS 如何通过降低超级电容器的工作偏置电压来平衡超级电容器，从而平衡电路的功耗。

图 2：两个串联的超级电容器使用 MOSFET 芯片实现出色的自动平衡。

没有自动平衡的超级电容器，由上面的水平虚线表示，随后会由于过压而损坏电池。水平实线表示使用 MOSFET 器件的电流平衡操作。当 MOSFET 跨接在阵列中的超级电容器上时，由另一个超级电容器的漏电流引起的电压小幅上升会导致该 MOSFET 的导通电阻 (R DS(ON) )大幅下降。这会导致超级电容器的电流升高，从而降低电压。

自动平衡原理利用 MOSFET 器件的自然阈值特性。在阈值电压下，MOSFET 开启并开始传导电流。该功能可确保 MOSFET 芯片几乎没有或没有额外的泄漏电流。

图 2 还显示了运算放大器电压平衡方法如何迫使两个超级电容器单元在 2.3 V 的中点处达到相同的电压。但是，这样做时，两个单元会消耗一些功率。如果两个电池的电容没有充分平衡，则会导致额外的功率消耗。因此，在与运算放大器进行自动平衡的过程中存在大量能源浪费。此外，运算放大器通过其电路网络自行耗散功率。

与运算放大器不同，如果两个电池的电容值不匹配，可能会导致功率损失，MOSFET 可通过互补的相反电流水平实现自然的电池平衡。

另外，图2中的超级电容电芯1和超级电容电芯2是可以互换的。因此，不知道哪一个的漏电流更大。一些电流来自 MOSFET 本身，而不是超级电容器单元 2。

基于 MOSFET 的漏电流平衡机制是完全自动化的，几乎适用于所有超级电容器。这种自动平衡技术不需要额外的电流消耗，并且可以根据温度、时间和环境变化自动调整。

从 MOSFET 到电路板

即插即用印刷电路板 (PCB) 可以安装 MOSFET，自动平衡超级电容器单元的漏电流和电压。单个 MOSFET 或多个 MOSFET 可以安装在超级电容器自动平衡 (SAB) PCB 上，以自动平衡超级电容器单元。

图 3：SABMB2 板的框图，尺寸为 0.6 × 1 英寸，用于超级电容器自动平衡。

例如，ALD 的即插即用 SAB PCB 可用于原型设计或生产设计。这些板可以级联以形成串联链，范围从两个到数百个，用于平衡超级电容器堆栈。

审核编辑：汤梓红