电容器和电池系统的基本比较

从家庭自动化到工业机器人，我们的网络世界要求电子系统提供持续的可用性，从而需要永久的——通常是独立于网络的——能源供应。可充电电池对于这些系统来说是实用且可靠的，直到它们达到使用寿命，当它们必须更换或丢弃时。经典的固体电解质电容器提供了一种更环保且成本中性的替代方案，但很快就会达到其极限，输出要求超过 100 mW。Supercap 双层电容器提供高功率密度和长工作寿命，但介电强度低。电子系统需要在这些技术之间进行折衷，解决方案结合了经典电池和双层电容器的优点而不受限制。

表：电容器和电池系统的基本比较。

ENYCAP 196HVC 器件的物理单节电池标称最大电压为 1.4 V，无需特殊平衡措施即可串联互连，从而实现更高的标称电压。目前，可以获得 8.4 V 的电压和 4 F 到 90 F 之间的电容值。

由于它们的低结构高度（<2.5 mm）和易于组合的选项，这些单元可以很好地适应现有的结构空间，这通常非常有限，有时位于 PCB 层之外的“第三”维度。

图 1：ENYCAP 结构形式变化。

混合动力系统可以达到 >13 Ws/g (>3.6 Wh/kg) 的非常高的能量密度，因此是传统电池的可行替代品。此外，这些储能电容器的特点是杂散电流和自放电极低。 

功率平衡如图 2 所示，它显示了根据当今最先进技术的 ENYCAP 存储电容器的最佳分类。

图 2：电容器、电池和混合电容器的功率平衡图。

正如上面示例中已经暗示的那样，必须针对相应的应用程序调整特定参数以选择正确的组件： 

备用能量和时间间隔。在这里，深度放电之间的时间段，特别是直到第一次备份的时间是特别关键的。

特定的峰值功率和峰值电流要求。

备用解决方案的输出电压电平；特别是最低电压电平。

可用于加载储能设备的输入电压范围；特别是最大范围。

一次能源的阻抗。对于具有低 ESR 的系统，可能会出现极高的充电电流尖峰。

防止完全放电、短路、反极性、过压和过热。

用于高级电源管理系统的能量存储设备和数据总线信号的充电状态控制。

整个系统的成本。   

以上参数仅是最重要的设计参数的选择。为了说明复杂性，下面的原理图（见图3 和图 4）将显示充电电流、放电电流和电压随时间变化的基本曲线图。可以清楚地看到混合储能和经典超级电容器之间的行为差​​异。

图 3：双层电容器作为备用电源。

图 4：ENYCAP 作为备份源。

从电压图中可以观察到双层电容器的良好充电和快速充电行为（如适用）。可以看出，由于低 ESR，必须对极端电流充电峰值采取预防措施。此外，在备用电源恒定的情况下，放电电压的线性下降会导致放电电流不成比例地增加，并导致 dc/dc 转换器的恒定反向调节以及高电流峰值。在某些情况下，必须考虑电容器上更高的纹波电流。

由于其更高的串联电阻和优化的结构，混合双层电容器的特点是充电行为更温和。电容器上的标称电压在很早的阶段就达到了，允许唤醒开关和低功耗传感器应用的简单操作。在工作范围内几乎恒定的电压曲线和由此产生的恒定放电电流也是有利的。与双层电容器相比，控制电子设备当然可以简化。相对高的初始电压降是一个缺点。

为了减轻这些系统差异给用户带来的负担，重要的是为客户提供集成了充电和放电等基本功能（见图5）和所需保护电路的复杂解决方案和设计参考. 如果可能，存储元件和充电控制器的制造商必须提前合作，以使特定条件适应系统。

图 5：使用 LTC3355 的充电和备份框图。

例如，参考设计将应急电流解决方案与充电控制器电路和备用转换器集成在一起，包括评估功能和所有保护功能所需的电流测量传感器。此外，该系统可以使用ENYCAP、双层电容、经典电容和电池运行，并实现主电源加充电功能和备用电源的自动切换。为此，充电电压（1.3 V 至 3.2 V）、充电电流（35 mA 至 600 mA）、放电电压（>1 V）和放电电流限制（100 mA 至 5 A）可以在多个范围内变化，并且可以很容易地适应客户的情况。充电过程可以使用恒流或恒压调节器。 

提供的降压转换器转换为负载的编程电源电压并为备用能量存储设备充电。在电源电压中断的情况下，同样集成的升压转换器会保持负载上的输出电压而不会中断，直到二次能源耗尽。最重要的是，如果约 1 V 的最小电容器电压被削弱，则输出侧的简单负载开关会关闭负载。这避免了连接的稳压器的完全放电和恒定线性操作。 

LTC3355 IC 执行所需的所有功能，例如，在用于服务器或 IPC 的智能电源管理系统中。监控电压 VIN、VOUT 和 VCAP，关于能源负载状态 (CPGOOD) 和自动切换到备用储能设备 (PFOB) 的电源的基本信息（开漏信号输出），以及负载调节，可用。该稳压器可处理 4.0 V 至 20 V 的输入电压，并提供 3.0 V 至 5.0 V 的稳压输出电压。该组件具有集成的过热保护功能，还可用于监控最大允许电流。

图 6：评估设计套件 (MAL219699001E3)。

ENYCAP 储能电容器具有比电池更高的功率密度和比经典双电层电容器 (EDLC) 更高的能量密度。因此，比电池更快的充电和放电时间是可能的。我们建议对备用系统等应用进行脉冲充电。这背后的想法是，ENYCAP 最初被充电至其能量存储容量的最大值，然后通过单独的电脉冲将充电状态保持在涓流模式。这可以补偿自放电，并使电容器保持在理想的工作条件下。如果充电持续进行，并且只有在供电中断时才关闭，产品的使用寿命将大大缩短。最大充电电压应设置在比指定标称电压（额定电压）高 2% 到 3% 之间。这可以补偿产品内部电阻上的电压降。电池电压总是低于充电电压。将储能电容器加载到满标称电压是非常重要的。不应使用更​​高的电压。必须考虑到充电电流*充电时间的乘积等于最大充电量。只有这样才能实现最大程度的有效性和最高可能的能量存储。不应使用更​​高的电压。必须考虑到充电电流*充电时间的乘积等于最大充电量。只有这样才能实现最大程度的有效性和最高可能的能量存储。不应使用更​​高的电压。必须考虑到充电电流*充电时间的乘积等于最大充电量。只有这样才能实现最大程度的有效性和最高可能的能量存储。

ENYCAP 196 HVC 系列电容器指定用于 –40° 至 +85°C 的正常存储条件。但是，存放一年后，部件应通电并充电。自放电率低。完全充电的电容器的永久充电电压必须限制在≤20 µA；否则，产品会提前老化。如果流过更高的电流，则必须确保将 ENYCAP 196 HVC 从电路中移除。还必须避免完全自放电。大部分能量可以从 1 V 到 1.4 V 之间的单个电池中移除。低于 1 V 的电池电压会导致深度放电。因此，低放电电流已经对产品的性能产生负面影响。

在选择其他组件时，非常注意确保低直流电路损耗、低温度因数和高效率电感，以尽可能充分利用可用能量。此外，还实施了带有 TVS 二极管的输入保护电路，以避免整个电路发生过压事件。
 

　　审核编辑：汤梓红