超級電容器越來越多地用作備用電源，這在很大程度上是由于它們不斷提高的體積能量容量和堅(jiān)固性。大輸出電容會(huì)使輸入源的負(fù)載能力緊張，尤其是當(dāng)該源受到協(xié)議（USB或PCMCIA）或高源電阻的限制時(shí)。輸入源限制會(huì)使設(shè)計(jì)復(fù)雜化。LTC3128 通過向一個(gè)完整的超級電容器充電器添加一個(gè)可編程的準(zhǔn)確輸入電流限值來簡化電源備份。圖1顯示，只需幾個(gè)元件即可產(chǎn)生具有3.0A輸入電流限值的超級電容充電器。

圖1.具有輸入電流限制的完整超級電容器充電電路。

LTC?3128 是一款降壓-升壓型 DC/DC 超級電容器充電器，具有可編程的準(zhǔn)確輸入電流限值 （高達(dá) 3A） 和主動(dòng)平衡功能，采用 4mm × 5mm × 0.75mm QFN 或 24 引腳 TSSOP 封裝。1.2MHz 開關(guān)頻率以及低電阻、低柵極電荷集成開關(guān)為大輸出電容器充電提供了一種高效、緊湊和扁平的解決方案?？删幊梯斎腚娏飨拗档?a target="_blank">高精度 （±2%） 允許設(shè)計(jì)人員將最大電流消耗限制在略低于輸入源的能力。

電容器電壓監(jiān)控和保護(hù)與集成的有源電荷平衡器相結(jié)合，可防止不匹配的電容器過壓，并使漏電流不匹配的電容器保持平衡。這使得 LTC3128 非常適合于備份或脈沖負(fù)載應(yīng)用。超級電容器由于其使用壽命長、循環(huán)能力大（長達(dá) 10 年和 500，000 次循環(huán)）和相對簡單的充電曲線，是備用解決方案的理想選擇。

超級電容器充電時(shí)間和保持時(shí)間

在設(shè)計(jì)備份系統(tǒng)時(shí)，兩個(gè)最重要的標(biāo)準(zhǔn)是充電時(shí)間和保持時(shí)間。充電時(shí)間確定系統(tǒng)在承受電源故障之前需要運(yùn)行的最短時(shí)間，而保持時(shí)間確定系統(tǒng)可以從其備用電源保持運(yùn)行多長時(shí)間。

充電時(shí)間由編程輸入電流限制、編程輸出電壓、轉(zhuǎn)換器效率和輸出電容的組合決定。圖2顯示了1F輸出電容在3.0A編程輸入電流下的充電時(shí)間。該曲線考慮了V在/ 5外和轉(zhuǎn)換器效率。如果輸出電容大于或小于1F，則充電時(shí)間與輸出電容成比例。

圖2.LTC3128 充電時(shí)間。

在充電結(jié)束時(shí)，LTC3128 回?fù)茌斎腚娏饕詫敵鲭娙萜鞫褩Ｉ系某潆娺M(jìn)行上充。這樣做是為了防止由于輸出電容的ESR而導(dǎo)致的振動(dòng)。圖3顯示了電容器接近完全充電時(shí)回?fù)艿某潆婋娏魇纠ｋ娏魍ǔＴ诰幊梯敵鲭妷旱?5%回?fù)?，這是用于充電時(shí)間計(jì)算的電壓。

圖3.輸入電流充電曲線。

圖1電路以3.0A和A V的編程輸入電流為100F至4.2V充電在3.3V。圖2顯示，將1.0F電容從0V充電至4.0V （4.0V ≈ 0.95 ? 4.2V）需要1.3秒。由于本例中的電容器大100倍，因此將100F電容器從0V充電至4.0V大約需要130秒。

為了確定可以為系統(tǒng)提供多長時(shí)間的備用電源，需要確定輸出上的工作電壓范圍。對于此應(yīng)用，工作輸出電壓為4.2V至1.0V。100F電容器上存儲(chǔ)的能量可以確定為：

其中 W 是以焦耳為單位完成的功，C外是總輸出電容，V初是 C 上的起始電壓外和 V最后是最小電壓C外可以跑到。

如果次級升壓轉(zhuǎn)換器連接到 V外，它充當(dāng)超級電容器的恒定功率消耗。圖4顯示了由V供電的次級升壓轉(zhuǎn)換器示例外的 LTC3128。LTC3122 的產(chǎn)品手冊顯示，對于一個(gè)具有 100mA 負(fù)載的 12V 輸出，一個(gè) 1V 至 4.2V 輸入范圍內(nèi)的平均轉(zhuǎn)換器效率約為 80%，從而在保持電容器上產(chǎn)生一個(gè) 1.5W 的恒定功率負(fù)載。保持時(shí)間可由以下因素確定：

其中 t備份是系統(tǒng)的保持時(shí)間，W數(shù)據(jù)處理是輸出電容上可用存儲(chǔ)的能量，P負(fù)荷是次級轉(zhuǎn)換器的功耗。

圖4.LTC3122 升壓型轉(zhuǎn)換器由 LTC3128 供電。

平衡超級電容器

使用超級電容器實(shí)現(xiàn)更高的輸出電壓需要將兩個(gè)或多個(gè)電池串聯(lián)在一起，因?yàn)槊總€(gè)電容器的最大電壓通常指定在2.3V和2.7V之間，具體取決于電容器的制造商和類型。電容器的壽命取決于電容器兩端的電壓。為了延長電容器的使用壽命，電容器上的電壓應(yīng)調(diào)節(jié)在額定最大電壓以下。電容器供應(yīng)商通常指定如何降低其超級電容器上的電壓以延長使用壽命。

LTC3128 集成了一個(gè)可編程最大電容器電壓比較器和一個(gè)高效的有源充電平衡器。最大電容電壓比較器查看每個(gè)電容兩端的電壓，并確保充電時(shí)不超過編程電壓。如果任一電容器上達(dá)到最大編程電容器電壓，則 LTC3128 將停止充電以平衡電池，然后恢復(fù)充電。

有源充電平衡器使用 LTC3128 的電感器有效地將電荷從一個(gè)電容器移動(dòng)到另一個(gè)電容器以平衡它們，從而使電容器在其兩端保持相同的電壓。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樵诒３质录陂g，如果電容器足夠偏離平衡，其中一個(gè)電池的極性可能會(huì)反轉(zhuǎn)，從而損壞電容器。僅當(dāng)其中一個(gè)電池超出其編程的最大電容器電壓時(shí)，或者輸出電壓處于穩(wěn)壓狀態(tài)且電容器失衡但未違反最大電壓時(shí)，LTC3128 才會(huì)平衡電池。

主動(dòng)電荷平衡消除了無源平衡的高靜態(tài)電流和連續(xù)功耗。圖 5 示出了 LTC3128 配置了 100F 的總輸出電容、一個(gè) 4.2V 的編程輸出電壓和一個(gè) 2.7V 的最大電容器電壓。

圖5.LTC3128 具有充電平衡器和最大電容器電壓保護(hù)功能。

動(dòng)力穿越應(yīng)用

在備份系統(tǒng)中，在開始操作之前等待存儲(chǔ)電容器充電的能力并不總是一種選擇。電源穿越應(yīng)用提供了一種直接從輸入電源為次級轉(zhuǎn)換器供電，同時(shí)為超級電容器充電的方法。LTC3128 允許次級轉(zhuǎn)換器通過 LTC3128 內(nèi)部的一個(gè)電流檢測電阻器拉動(dòng)其電流。這允許次級轉(zhuǎn)換器從電源吸收所需的電流 （高達(dá) 4A），并且 LTC3128 將使用編程的輸入電流（減去從次級轉(zhuǎn)換器汲取的電流）為輸出電容器充電。只要次級轉(zhuǎn)換器吸收的電流永遠(yuǎn)不會(huì)超過編程輸入電流，LTC3128 就會(huì)將從輸入電源消耗的總電流限制為編程值，同時(shí)用剩余的可用電流為備用電容器充電。

為了延長備份時(shí)間，LTC3128 從 V 吸收的電流小于 1μA外停機(jī)模式時(shí)，或輸入 UVLO 時(shí)小于 2μA。圖 6 示出了一款使用 LTC3128 和 LTC3122 的電源穿越應(yīng)用。

數(shù)字。采用 LTC3128 和 LTC3122 升壓型轉(zhuǎn)換器的電源穿越應(yīng)用。

結(jié)論

LTC?3128 3A 降壓-升壓型 DC/DC 超級電容器充電器是一款簡化型解決方案，用于在高可靠性、長壽命應(yīng)用中高效充電和保護(hù)超級電容器。它具有精度為 ±2% 的可編程輸入電流限值、可編程最大電容器電壓比較器和有源電荷平衡功能。

審核編輯：郭婷