MAX38886/8/9串联超级电容的电压平衡技术

对于超级电容器需要充电至2.5V或2.7V以上的应用，工程师被迫串联多个超级电容器，因为标准超级电容器电压额定为2.7V，并且成本较低。本应用笔记综述了MAX38886/MAX38888/MAX38889备份稳压器串联超级电容连接的电压平衡技术。

介绍

超级电容器在储能应用中的使用正在迅速增加，例如手持工业设备、带有可拆卸电池的便携式设备、工业传感器和执行器等。当此类应用需要比超级电容器上正常2.7V更高的电压时，可以选择串联多个超级电容器。但由于电容容差、不同的漏电流和ESR，每个电容器两端的电压分布不均。这导致超级电容器之间的电压不平衡，因为一个超级电容器电压将比另一个超级电容器具有更大的电压。随着超级电容器的温度和年龄的增加，这种电压不平衡变得最严重，一个超级电容器两端的电压可能会增加到超过额定电压。保持每个超级电容器的电压平衡以确保较长的使用寿命非常重要。

MAX38886/MAX38888/MAX38889 4A/2A可逆降压-升压稳压器，用于备用电源应用

MAX38886/MAX38888/MAX38889为存储电容或电容组备份稳压器，设计用于在存储元件和系统电源轨之间高效传输电源，采用相同电感进行可逆降压和升压操作。 当主电源存在且高于最小系统电源电压时，稳压器以降压模式工作，并以编程的峰值电感电流为存储元件充电。当主电源被移除时，稳压器以升压模式工作，防止系统降至最小工作电压以下，从而以编程的峰值电感电流对存储元件放电。

　　对于这项研究，我们正在考虑以下测试用例。

　　正常工作期间系统最大电压，V.SYS= 5V.

　　备用操作时系统最小电压，VSYS_MIN= 4.75V。

　　超级电容器充电操作时的最大电压，VSC_MAX= 4.5V。

　　MAX38886/MAX38888/MAX38889超级电容器串联

对于此应用，超级电容器必须充电至4.5V，在备份期间，当实际系统电压不存在时，超级电容器电压被升压并调节至4.75V。这种情况的应用电路如图1所示。

图1.MAX38888的应用电路

在图1应用电路中，超级电容器的额定电压为2.7V，这是超级电容器的标准额定电压。因此，我们串联使用两个11F超级电容器来提高额定电压。一旦充电模式启动并且超级电容器充电至4.5V，则测量每个电容器两端的电压，如表1所示。

 

V.SYS （V)）	VCAP_TOTAL （V)）	VCAP_TOP （V)）	VCAP_BOTTOM （V)）	电压差 （毫伏）
5.0	4.43	2.17	2.26	97.00

 

表1显示，顶部和底部超级电容器之间的电压差为~97mV，该读数是在+25°C环境温度下获得的。漏电流、电容和ESR随温度和年龄而变化。例如，本应用电路中使用的超级电容器在+25°C环境温度下具有6μA的漏电流，在+65°C温度下漏电流增加到~300%。超级电容器参数的这些变化有时可能导致电压不平衡的增加，并且一个电容器也可能看到大于额定电压的电压。从长远来看，这也可能会损坏超级电容器或迅速降低超级电容器的使用寿命。

有几种方法可以通过添加额外的元件来保持每个电容器上的电压平衡。以下是一些有助于保持超级电容器两端电压平衡的方法。

电压平衡方法

使用平衡电阻/无源方法进行电压平衡。

使用运算放大器电路进行电压平衡。

使用 SAB 自动平衡 MOSFET 阵列/有源方法进行电压平衡。

1. 平衡电阻的电压平衡/无源法

平衡超级电容器两端电压的简单且最具成本效益的方法是在每个超级电容器上连接相同值的电阻器。由于电阻永久连接在超级电容器上，电阻中的功耗将是连续的。超级电容器连接两端的平衡电阻如图2所示。

图2.使用平衡电阻进行电压平衡。

当100k？每个超级电容器两端使用电阻，每个超级电容器两端的电压测量如表2所示。

 

V.SYS	VCAP_TOTAL （V)）	VCAP_TOP （V)）	VCAP_BOTTOM （V)）	电压差 （毫伏）
5.00	4.40	2.18	2.22	44.00

 

使用这种方法有一些缺点。必须选择电阻值，使其提供显著的电流消耗，以实现可接受的电压平衡。同时，电阻值越小，超级电容器的功耗就越大。随着超级电容器温度和年龄的增加，漏电流也会增加，这使得电路随着时间的推移越来越无效。如果所选电阻值非常高，则需要很长时间来平衡超级电容器电压。

2. 使用运算放大器电路进行电压平衡

上述使用平衡电阻的附加电路具有连续功耗和损耗。为了降低功耗并保持电压平衡，可以使用运算放大器实现平衡电路。即使将高电阻值用作梯形网络，该解决方案也可以提供更快的电压平衡。

为了降低附加电路的功率损耗，选择功耗低得多的运算放大器，如MAX4470，它需要至少750nA的超低电源电流。运算放大器的工作电压应高于最大超级电容电压。可能需要一个阻尼电阻以避免异常振荡。

图3.使用运算放大器电路进行电压平衡。

当超级电容器两端的电压不平衡时，图3中的平衡电路将处于活动状态。一旦每个超级电容器两端的电压平衡，该电路消耗的功率就会更少。因此，该电路是一种高能效的方法。我们使用的是 2 x 2.2M？超级电容器两端的电阻接地和IC消耗的电源电流要小得多。总功耗明显低于早期的无源方法。

使用运算放大器方法测量每个电容器两端的电压如表3所示。

 

V.SYS	VCAP_TOTAL （五）	VCAP_TOP （五）	VCAP_BOTTOM （五）	电压差 （毫伏）
5.00	4.33	2.17	2.16	3.50

 

图4中的波形显示了超级电容充电和运算放大器电路用于电压平衡时的启动行为。波形显示 V.SYS（黄色），VCAP_TOTAL（蓝色），VCAP_TOP（橙色），VCAP_BOTTOM（粉红色）。

图4.使用运算放大器平衡电路的超级电容器充电期间的启动波形。

3. 基于IC的专用平衡电路

很少有专用的基于IC的超级电容器自动平衡MOSFET阵列可以用作超级电容器的有源平衡电路。这些 MOSFET 阵列提供堆叠串联超级电容器的自平衡，同时耗散接近零的漏电流，几乎消除了额外的功耗。串联的堆栈受到持续监控，并自动控制其电压和泄漏电流的平衡。

这是一种特殊类型的 MOSFET，具有非常严格的栅极阈值电压规格。设置的超级电容器电压应为阈值电压的两倍。每个电容器将充电至栅极阈值电压。但这将是一种昂贵的电压平衡方法，因为这些专用IC的成本更高。

无源、有源电压平衡方法之间的比较

表4显示了所讨论的每种电压平衡技术的总体比较。

 

参数	电阻电路	运算放大器电路	专用集成电路
电路成本	低	中等	高
电压平衡性能	中等	好	好
功耗	高	少	少
工作电压单位	无限制	有限	有限
组件计数	2	4	1
实现	容易	温和	容易

 

结论

本应用笔记讨论了为什么串联超级电容器连接需要电压平衡，并回顾了串联超级电容器连接的不同电压平衡技术。比较了每种技术的性能。

审核编辑：郭婷