适用于中低性能系统后备电源解决方案

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近几年来所采用的用于增加电子系统的性能、可用性和移动性，同时降低比能耗的方案，提供了新的供电选择。使用电池的系统或称无线系统变得日益重要，同时伴随能量密度增加，在一定程度上减少了高峰负荷期间的电能消耗。利用替代能源（如太阳能或风能）的供电解决方案和集成能量回收（能量收集）功能的系统，都发挥着日益重要的作用。

最小的环境传感器、商品识别系统（RFID、BLE信标）、网络系统、无线接入点和传感器、以及工业自动化中的装置和网络都有电力“自给自足”的需要。基本上所有实时系统（RTC）都有一个小电池，以保证系统在所有时间的可用性。我们的联网世界需要系统提供持续可用性、灵活性和易接入性（accessibility），因而需要持久的电能供应，也可能独立于电网，例如使用电池。

家庭自动化系统、门禁系统、智能能量管理系统（智能家居）、通信系统、数据存储（云）、工业机器人等等都是按照其在电能供应受限制、中断甚至停止情况下的可靠性来评级的。充电电池在达到其使用寿命终点且必须更换之前，是一种实用和可靠的解决方案。用过的废电池会影响以上低能耗解决方案的环保作用，并随着采用电池的系统的使用而增加。此外还需要一些电子电路来为电池充电、控制放电以及防止系统完全放电。

因此，近来有人开始研究更环保和成本相当的替代方案。元件生产商常常使用大量开发资源（其中大多仍然被忽视并且也不引人注意），以更为粗放的方式设计电池，以及改善电池管理系统并为其配备高级智能功能来进行调节及动态控制。

具有低杂散电流的典型固态电解电容为额定功率低于100 mW的情况提供了一种替代方案。但如果需要输出功率在较长时间（超过10秒）内超过100 mW，则典型电容很快就会达到其极限。100mW是充电电池典型输出功率范围的起始值。这些电池常常具有超大尺寸，以降低放电程度（DoD）。出于实用考虑，电子设备充电是在非常和缓的情况下进行，以避免过度充电和保证规定的放电周期，以便使电池的使用寿命适应最终设备的使用寿命。

作为替代方案，近来出现了所谓的超级电容，亦称EDLC（双电层电容）。由于制造过程已经工业化和单位容值成本下降，这一趋势将会增加。这一电容类型（其工作基于亥姆霍兹原理）最接近典型电容的工作原理，并具有其所有优点，如高比功率密度、长使用寿命和高循环数目。首先，它以极高容量（C > 10 F）和低ESR（< 100 mΩ）见长。极高容值对弥补只有2.3 V - 2.8 V的低介电强度（U）的缺点也很必要。下式可说明这一点：

由于外壳大小相当的超级电容的容值轻易就能达到典型电容容值的100倍，因此可在一定程度上弥补电压较低的劣势。实际上，理论可用电压的范围可能为0 V - 2.7 V，因而大多数情况下电容中的能量只得到部分使用。低值放电电压常常设置得高于实际适用值0.5 V（大多为1.0 V - 1.8 V）。另外，开关和整流器损耗尚未完全考虑在内。更高水平的比能（例如在电池情况下）会更好。

结合典型电池（储存电化学能）性质与双层电容（储存静电能）性质的混合型 – ENYCAPTM – 系统似乎代表一种良好的折衷方案。阳极与阴极相对于典型双层电容的储能能力，以及电解质的导电率在这些系统中有巨大改善。表1列出了主要特性的对比。

表 (1)：系统的基本比较

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ENYCAP 196HVC电容实体单元（cell）的标称最大电压为1.4 V，并可在无需特殊均衡电路的情况下进行串联，从而达到更高的标称电压。

由于其低结构高度（< 2.5 mm）和方便的组合选择，这些单元能够很好地适应现有结构空间（常常非常狭窄）——例如在工业用嵌入式计算机、电能表、平板电脑，安防系统，以及用于记录事故的摄像头应用中——并且有时位于PCB水平面之外的“第三”维度。图1显示了一些结构形态变化实例。

图 1 - ENYCAP结构形态变化

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混合系统能达到 > 13 Ws/g (> 3.6 Wh/kg) 的极高能量密度，并因此可作为典型电池的替代方案。另外，这些储能电容具有极低杂散电流和自放电的特征。

图2显示了三种方案的势力均衡，并显示了按照目前的最先进技术，储能电容（ENYCAP）具有的最合适分类。

图2. 势力均衡

如以上示例所暗示的那样，必须按照应用对特定参数进行调整，以便为相应的后备解决方案选择合适的元件：

1)    后备能源和时间间隔。在此方面，极深放电之间的时间，以及尤其是直至首次使用后备电源的时间特别关键。

2)    具体峰值功率和峰值电流要求。

3)    后备解决方案的输出电压水平。尤其必须考虑最小电压水平。

4)    用于提供储存电能的输入电压范围。尤其是这里必须观测最大范围。

5)    初级能源的阻抗。尤其是对具有低ESR的系统，可能出现极高充电电流尖峰。

6)    防止完全放电、短路、极性反转、过压和过温。

7)    储能器件的充电状态控制和用于先进电源管理系统的数据总线信号。

8)    整个系统的成本。

以上参数只是一部分最重要的设计参数。为说明复杂性，以下原理图解显示了充电电流、放电电流和电压曲线随时间变化的基本示意图。从图中可以清楚地看出混合型储能与典型超级电容的行为差异。

图3 – 用双层电容作为后备电源

图4 – 用ENYCAP作为后备电源

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上面的图解说明了元件的复杂性。

从电压曲线可观察到双层电容的良好充电行为和适用情况下的快速充电行为。这里可观察到必须采取预防措施来防止由于低ESR而产生的极端充电电流高峰。另外，对于持续的后备电源，放电电压的线性下降会导致放电电流的不成比例增加和DC/DC转换器的持续反向调节（back-regulation），以及高电流峰值。在有些情况下，还必须考虑电容上的较高纹波电流。

混合型双层电容的特点是其更缓和的充电行为，这是由于其具有较高的等效串联电阻和最优化的结构。电容的标称电压在非常早的阶段就已达到，从而支持唤醒切换的简单操作和低功率传感器应用。另外，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优势所在。相对于双层电容，控制电子当然可以简化。但相对较高的初始压降是个缺点。

为了不让这些系统的差异让用户在选择上过于困难，向客户提供综合解决方案和集成了基本功能（如充电和放电 [图5] 以及所需保护电路）的参考设计变得越来越重要。

图5 – 使用LTC3355的充电和后备电源框图

如果条件允许，储能元件和充电控制器的生产商必须提前合作，以便使具体条件适应系统。

有一个示例是将应急电流解决方案与充电控制器电路和后备转换器集成在一起的参考设计，其中包括必要的电流测量传感器，用于评估充电功能和所有保护功能。另外，该系统可使用ENYCAP、双层电容、典型电容和电池，并实现了主电源+充电功能与后备能源之间的自动切换。为此，充电电压（1.3 V - 3.2 V）、充电电流（35 mA - 600 mA）、放电电压（> 1 V）和放电电流限制（100 mA - 5 A）可在多个范围内变动，并可轻松调整，以适应客户的情况。充电过程可使用恒流或恒压调节器。

规定的降压转换器转变为针对负载的程序化供电电压，并为后备储能器件充电。在供电电压中断时，升压转换器（也是集成的）可维持负载上的输出电压而不会出现任何中断，直至次级能源耗尽。除此以外，如果1 V左右的最小电容电压被下切（undercut），则输出侧上的简单负载开关会关断负载。这可避免完全放电和已连接调节器的持续线性工作。

LTC3355 IC可执行系统中要求的所有功能，例如在用于服务器或IPC的智能电源管理系统中。监测电压VIN、VOUT和VCAP，有关能源负荷状态（CPGOOD）的基本信息（开漏信号输出）和电源自动切换到后备储能器件（PFOB），以及负载调节等功能均有提供。稳压器可处理4.0 V - 20 V输入电压和提供3.0 V - 5.0 V的稳定输出电压。该元件集成了过热保护功能，另外可用于监测最大允许电流。

图6 – 评估设计套件（MAL219699001E3）

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ENYCAP储能电容具有比电池更高的功率密度和比典型双层电容（EDLC）更高的能量密度。因此，其充电和放电速度有可能比电池更快。我们建议对后备系统等应用采用脉冲充电方式。该建议的思路是，首先给ENYCAP充电，使其达到储能能力的最大值，然后通过单个电脉冲使充电状态维持在涓流充电模式。这可对自放电进行补偿并使电容处于理想工作条件之下。如果充电持续进行且只在电源中断时被关断，则产品的使用寿命会显著缩短。最大充电电压应当设置为比规定标称电压（额定电压）高2%-3%。这可补偿产品内置电阻上的压降。单元电压始终低于充电电压。储能电容达到满标称电压非常重要。但不应当使用更高的电压。必须考虑到充电电流与充电时间之积等于最大电量。只有这样才能达到最大效率和潜在的最高储能量。

ENYCAP 196 HVC系列电容的规定正常贮存温度为 -40 °C 至 +85 °C。但在贮存一年后，应当对产品加电和充电。这些产品的自放电水平低。满充电容的持久充电电流必须限制到低于 ≤ 20 μA，否则产品会提早老化。如果电流较高，则必须确保ENYCAP 196 HVC与电路断开。另外还必须避免完全自放电。放电时，电压在1 V - 1.4 V范围内的单元，其大部分电能会消除。单元电压低于1V会导致深度放电。因此，低放电电流可能已经对产品的性质产生负面影响。

其他元件的选择非常慎重，为的是确保低DC电路损耗、低温度系数以及高效率电感，以便尽可能充分利用可用能量。另外还实施了带有TVS二极管的输入保护电路，以避免完整电路的过压事件。

在最佳充电、放电和周围环境条件下，ENYCAP系列混合储能电容能够实现非常长的使用寿命和循环稳定性。

硬件看板

谢谢分享。楼主辛苦。