即插即用平衡超级电容器的方式

超级电容器是独一无二的，因为它们可以在需要许多快速充电/放电循环的应用中与电池一起工作或作为电池的替代品，并且它们在短期能量存储、再生制动和静态 RAM 内存备份等应用中很受欢迎。

但在设计中平衡超级电容器不仅仅需要连接几根电线。当超级电容器的工作电压为 2.5–2.7 V 时，大多数应用使用串联的设备阵列来获得更高的电压。

许多超级电容器的漏电流因多种因素而异，包括：

初始泄漏值

泄漏随充电电压、充电电流和温度的变化

工作温度范围

化学、材料和结构

老化

防止这种不平衡需要一个平衡电路，通过自动校正漏电流变化的影响，将每个超级电容器的电压保持在限制范围内，所有这些都以最小的增加的漏电流或功耗。

对于模块设计者来说，这代表了额外的复杂性。简单的基于电阻器的设计会消耗功率，并且不会对老化和温度变化做出响应；基于运算放大器的设计具有更高的性能，但复杂、浪费功率并占用过多的电路板空间。开发解决方案还需要布局专业知识和模拟或电源设计技能；结果可能会增加开发时间，甚至使问题变得更糟，并增加其自身不需要的泄漏。 

新PCB概述

一种新的印刷电路板 (PCB) 提供了一种“即插即用”的解决方案，它结合了为任何尺寸的超级电容器完成这些任务所需的所有电路。图 1 显示了该板，其设计用于与精密 MOSFET 阵列结合使用。

每块板的尺寸仅为 0.6 x 1.6 英寸，并且在完全填充后，最多可以平衡四个串联的超级电容器；除了未组装的电路板外，还提供了带有不同 MOSFET 组合的组装电路板，以达到所需的电压。对于较大的阵列，可以串联任意数量的板，但每块板的最大电压为 15 V。

图 1：四个超级电容器加上外部元件。    

该板可容纳 0.1 F 至 3,000 F 及更高温度的超级电容器。由于使用电路板而导致的平均额外功耗为零，这使得这种超级电容器平衡方法非常节能。它特别适用于低损耗能量收集和长寿命电池供电应用。

图 2 显示了与四个超级电容器 C1-C4 一起使用的电路板的示意图。MOSFET 是由四个相同芯片组成的阵列，其中包含两个配置相同的器件。根据选择的电路板，每个超级电容器可以有一个 MOSFET，或两个并联的器件跨接。并联两个器件可以得到一个等效的 MOSFET，其输出电流是两倍，对电压变化的灵敏度是两倍。

图 2：具有三个 MOSFET 阵列的完整电路板示意图。该设计确保每个超级电容器上的电压（例如 VA – VB）不超过最大允许值。     

两个部件号中的“XX”表示 MOSFET 两端的电压，对应于 25°C 时 1 μA 的漏电流，如下一节所述。

每个 MOSFET 的额定反向偏置二极管电流最高可达 80 mA。由于超级电容器电压变化而导致的任何反向偏置情况，尤其是在快速超级电容器放电期间，都可能导致某些内部节点因浪涌电流超过此限制而出现反向偏置。

该板具有 TO277 焊盘，用于添加外部肖特基整流器（功率二极管）以钳制此类电流瞬变。 

还可以在每对超级电容器之间连接一个可选电阻器。通常情况下，这是开路的，但如果这两个超级电容器位置无人安装，则应在相应位置安装一个零欧姆跳线。  

电路操作

电路如何自动平衡漏电？MOSFET 可被视为在有限工作范围内的三端压控电阻器，其导通电阻 R DS(ON) 是输入电压 V GS的指数函数。当栅极和漏极连接时，V DS 也等于V GS ，称为阈值电压V t。图 3 显示了四通道 MOSFET 阵列的数据。

图 3：芯片的相对导通电阻与输入电压的关系。    

ALD 零件编号中的“XX”表示阈值电压 V t ，它在 25°C 时提供 1 µA 的输出电流 I OUT 。例如，ALD810025 四方阵列的 V t = 2.5 V，因此 在 2.5 V 和 25°C 时 I OUT = 1µA。这对应于 2.5 MΩ 的 R DS(ON) 。表 1 显示了 I OUT 随着 V t变化的 变化。

表 1：在 TA = 25°C 时，ALD810025 在不同输入电压和输出电流下的等效导通电阻。

当一个 MOSFET 跨接在一个阵列中的超级电容器上时，V t 和 R DS(ON)之间的指数关系 意味着由另一个超级电容器的漏电流引起的超级电容器电压的任何微小增加都会导致 R DS( ON） 的那个MOSFET。这将增加 I DS(ON) 并降低电压。随着电压降低，I DS(ON) 也会降低。

根据所选的 PCB 部件号，每个超级电容器可以有一个 MOSFET 或两个并联的器件。并联两个器件可以得到一个等效的 MOSFET，其输出电流是两倍，对电压变化的灵敏度是两倍。

漏电流平衡机制是全自动的，适用于具有不同漏电流分布的超级电容器阵列。在具有许多串联超级电容器的堆栈中，多个 MOSFET 阵列起到平衡各种漏电流的作用。

例如，如果漏电流 I C1 大于 I C2在图 2 中的四电容器阵列中，则两个 M1（在 U1 和 U2 中）都关闭，M2 对成为平衡 C1 的有源电路元件，泄漏最大的超级电容器。

如果没有自动平衡电路，C2 两端的电压会不断上升，直到损坏器件。MOSFET 平衡解决方案几乎不会产生额外的电流消耗，并且可以根据温度、时间和其他可能导致失衡情况的环境变化进行调整。  

　　审核编辑：汤梓红