在能量採集、辦公室自動化和備份系統等一系列新產品設計中,超級電容引起了設計團隊的關注;這些超級電容電池芯具有高效儲存能力,可根據需要快速釋放能量。不過為確保其峰值性能和較長的產品生命週期,超級電容的電壓必須得到平衡;如果因電池芯之間的洩漏電流差異發生不平衡,則可能觸發能量耗散,導致超級電容電池芯過早失效。

超級電容(supercapacitor,或稱ultracapacitor)具有高功率、快速充/放電、峰值功率調節(peak-power shaving)和備用電源等功能特性,適合關鍵型資料保護和電池備份應用。對於供電需求不超過30秒的應用,它們正成為一種流行的技術選項。超級電容也提高了能量密度,隨著其電池芯的功率密度逐漸增加,可以更有效率地緩衝和儲存能量,從而最大化能量收集工作。

但問題在於:每個超級電容都有電容、內阻和漏電流方面的容差;這可能會導致電池芯電壓不平衡,必須對超級電容進行平衡,以確保電壓不超過超級電容的最大額定電壓。電源系統設計人員應選擇同一家製造商的超級電容,以確保初始電池芯電壓值在同一範圍內;其次,必須補償由單個電池芯內部的漏電流引起的任何電池芯電壓不平衡。

有兩種類型的平衡方法可用以調節超級電容電池的電壓:主動式和被動式。被動平衡方法會用到低值電阻,這種方法有點耗電,而且不能隨溫度變化而調節;主動式平衡方法使用運算放大器(op-amp),或使用MOSFET進行電流平衡。

以下將討論兩種將超級電容串聯的場景:第一種場景是超級電容不具備自動平衡功能,第二種場景是具備自動平衡的超級電容。這兩種設計方案之間的差異將證明,需要一種自動校正漏電流變化影響的平衡方法。

沒有自動平衡的超級電容

漏電流會導致電壓不平衡和功率損耗,電源系統設計人員必須補償每個超級電容電池芯的漏電流,否則若是電壓超出電池額定電壓一段時間,超級電容的運作壽命可能會縮短,甚至永久損壞。圖1顯示了兩個不具備自動平衡機制的串聯超級電容,它描繪了漏電流如何隨差分電壓的變化而上下移動;如果不平衡,這一問題可能會因過壓效應而導致故障。

圖1顯示,在2.3 V時,上方的超級電容漏電流為1.6μA,而下方的超級電容漏電流為0.8μA;如果這兩個超級電容不平衡,均衡漏電流,那麼下方的超級電容可能因過壓而永久失效。

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圖1:沒有自動平衡機制的兩個串聯超級電容。

具有自動平衡功能的超級電容

圖2顯示了MOSFET如何透過降低超級電容的工作偏置電壓來平衡超級電容,從而平衡電路的功耗。沒有自動平衡的超級電容由上面的水平虛線表示,可能由於過壓而損壞電池芯;水平實線表示使用MOSFET元件的電流平衡操作。

當MOSFET與陣列中的超級電容連結時,由另一個超級電容的漏電流引起的電壓小幅上升,會導致該MOSFET的導通電阻(RDS(ON))大幅下降。這會使超級電容的電流增加,隨後降低電壓。自動平衡的原理是利用MOSFET元件的自然閾值特性,在閾值電壓下,MOSFET導通並開始傳導電流。該特性可確保MOSFET晶片幾乎很少或沒有額外的漏電流。

圖2還顯示了運算放大器電壓平衡方法如何迫使兩個超級電容單元在2.3V的中點達到相同的電壓。但是這樣做時,兩個電池會消耗一些功率;如果兩個電池的電容沒有充分平衡,則會導致額外的功耗。因此在運算放大器自動平衡的過程中存在顯著的功耗,運算放大器也會透過其電路網路自行消耗電能。

當使用運算放大器,如果兩個電池芯的電容值之間存在不匹配,則會導致功耗。與運算放大器不同的是,MOSFET可透過互補的反向電流水準來實現自然的電池平衡。另外,圖2中的超級電容電池芯1 (CELL1)和電池芯2 (CELL2)是可以互換的,因此不知道哪一個有更大的漏電流。一些電流是來自MOSFET本身,而不是超級電容電池芯2。

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圖2:以MOSFET實現兩個串聯超級電容的自動平衡。

以MOSFET為基礎的漏電流平衡機制是完全自動化的,幾乎適用所有超級電容。這種自動平衡技巧不需要額外的電流消耗,並且可以根據溫度、時間和環境變化而自動調節。

從MOSFET到電路板

可以安裝MOSFET的一種隨插即用型印刷電路板(PCB),能自動平衡超級電容電池芯的漏電流和電壓。單顆或多顆MOSFET都可以安裝到這種超級電容自動平衡(supercapacitor automatic balancing,SAB) PCB上,以自動平衡超級電容電池。

例如,ALD的SAB PCB可用於打造原型或量產產品設計。這些電路板可以級聯為一個串聯鏈,從2個到數百個,用以平衡超級電容堆疊。

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圖3:尺寸為0.6×1吋、可用以平衡超級電容的SABMB2電路板。

本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2019年7月號;責編:Judith Cheng

(參考原文:Why MOSFETs are the best choice for automatically balancing supercapacitor leakage ,by Robert Chao)