超级电容器对系统设计人员提出新挑战

中心议题：

• 介绍降低传统电容尺寸的几个可选方案
• 讨论采用超级电容器所面临的新挑战

解决方案：

• 采用超级电容，必须限制浪涌电流
• 使用工业标准的限流“智能开关”，为超级电容充电
• 功率半导体制造商们开发出新型器件，解决超级电容安全充电的所有问题

在一些电池供电的系统或有功率限制的端口设计中，可用平均电流有限，而负载要求较高峰值电流，设计师需要小心应付，确保系统功率不要超过主电源的容量。一般情况下，可用的峰值电流远小于负载的要求。对于不断增长的PC卡、CF、PCI或USB格式无线数据卡尤其如此，这些数据卡广泛用于GSM、GPRS、TD-CDMA和WiMAX数据通信。

这些无线协议均采用TDMA技术，它在发射期间需要大的峰值电流。例如，GSM功率放大器发射时要求的峰值电流可以达到2A。在接收期间，电流小得多（约100mA）。这种大的范围迫使设计师采用电容来“均化”从电源吸出的电流，即在不用时存储能量，而在需要时释放出峰值电流。

设计挑战
传统电容技术或者需要大的外形尺寸，或者要并联多只器件。为降低方案的尺寸，设计师一般会转用大容值电容，或所谓的“超级”电容，它能以相对较小的尺寸提供大容值。然而，用超级电容也会带来特殊的设计挑战。

虽然超级电容较低的等效串连电阻（ESR）有助于支持大峰值电流，但却可能为充电带来问题。在任何系统中，超级电容初始时都是放完电的状态。当第一次施加供电电压时，超级电容看来像一只低阻值电阻。如果不加控制或限制，就会带来一个巨大的浪涌电流。显然，只要设计师采用超级电容，就必须限制浪涌电流。

有几种可选方案，最简单的方法是使用一只串联电阻。在PC卡中，成功完成“主机/卡”协商之前可以吸入的最大电流为70mA。假设PC卡控制器需要一半电流来完成协商任务，则在起动时，要么必须将超级电容与电源断开，要么用一只约100?的电阻作限流（R=V/I）。以这种速率，如果电容以约五倍恒流完全充电，则电容会在大约6.7分钟内完全充好。

有一种更加可行的方案，即让PC卡在完成主控与卡之间的协商以后，再从电源获得更多电能。然后就可以用较低阻抗的电阻增加充电电流。开始时，电容的电压仍然为低，电阻的功耗非常大。当电容开始充电，且电压开始上升时，功耗减小，可以降低电阻值。

图1是一个电路实例，它包括一串在电容充电周期内切换的递减电阻值。开关点的时序可以定时（对要求非常精确、昂贵电阻的情况），也可以用各种附加的电压检测器监控。还有个问题，当电容完全充电，且拔下PC卡时，存储在电容中的能量足以毁坏连接器的管脚。

智能开关
另外一种为超级电容充电的方式是使用工业标准的限流“智能开关”。这些所谓的智能开关（Smartswitch）采用一支集成的P沟道或N沟道MOSFET作为负载开关，并附带有监控和保护电路，对输出限流。多数产品带有热过载保护功能，因此，如果在限流过程中，芯片温度超过其额定最大值，则器件关断。随着芯片的冷却，器件会重新导通，作低频热振荡，直到高耗能周期结束为止。

在超级电容应用中，智能开关导通，并由于大浪涌电流而立即开始限流。这种大浪涌电流产生一个很高的温升，驱使器件进入热关断，此时产生前述的热振荡。这不算是问题，因为所有限流智能开关限制都设计为能承受这种振荡。不过，当开关关闭期间，电容不会充电，因此增加了充满电的时间。另外，由于没有附加电路，无法检测电容充满情况，也无法告诉系统已准备好开始传输。

最近，功率半导体制造商们开发出了一种新型器件，解决了在最短时间为超级电容安全充电的所有问题。这些高度集成的器件带一个P沟道MOSFET负载开关，并集成有限流、保护PC卡连接器、电容连续充电、系统准备就绪可以使用以及决定何时开始电容充电所需要的全部电路。这些功能被集成在一个12PIN的TSOPJW封装内，器件占用的PCB板空间不到9mm2。

图2为使用某种这类新型器件的一个应用。该器件有两个外部可编程限流，可用于主机/卡协商期间提供不同的限流能力。在上电时，器件在电源和超级电容之间提供一个低阻路径。如果热耗散低，器件将最终进入限流状态，且超级电容将继续充电，直至达到约98%的最终值。在这个点上，系统准备好（system ready）信号将改变状态，告知系统可以开始传输。

如果热耗散高，则芯片温度将快速上升。当温度升至内部设置的极限值时，器件会起动一个内部数字电源循环，将电流降至某个安全值。电源循环会以固定周期探测片芯的温度，以限流设置点1/32为步长增、减电流，将片芯温度调整到大约100°C。这个功能确保超级电容所有时候都在充电，在保护器件的同时减少充电时间。

在多数应用中，通过改变超级电容的大小来减少传输中的电压降，并在接收期间允许充电。通过增加可调迟滞，该器件使用户能够设定超级电容充满的关键点。它可以设定为从低于满充200mV到零之间的任何值。

过去，便携系统中的超级电容只限于备份或等待应用，电流小，充电时间一般很长。随着越来越多数据卡用于便携式应用，设计师必须特别仔细地确保充电时间为最短，而系统解决方案仍保持小体积。新一代智能开关集成了限流、保护PC卡连接器、超级电容连续充电和告知系统电容已完备等功能所需全部电路，为开发人员提供了开发一种完整解决方案，同时减少元件数并大幅度缩小系统体积。

作者介绍
Phil Dewsbury是Advanced Analogic Technologies Inc. (AnalogicTech)系列产品总监。他在业界有28年多的经历，曾在多家功率管理半导体公司担任高级职位。