超級(jí)電容因其高功率密度、快速充放電和長壽命等特性，在多個(gè)行業(yè)中作為備份電源得到廣泛應(yīng)用。例如在公共交通工具的啟動(dòng)和制動(dòng)、軌道交通的能量回收及電源備份、通訊及電力設(shè)備電源備份等。本文使用 ADI 器件設(shè)計(jì)了相關(guān)的超級(jí)電容充電和升壓切換模組，對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)中的部分問題進(jìn)行探討，最后對(duì)模塊進(jìn)行測(cè)試，并提供了實(shí)物圖、測(cè)試波形等進(jìn)行參考。

24V 及以下超級(jí)電容備份系統(tǒng)典型框圖

下圖 (圖1) 為 24V 及以下超級(jí)電容備份系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖：

圖1 設(shè)計(jì)框圖

輸入電源

輸入電源 (如適配器或外部電源) 為系統(tǒng)提供能量，同時(shí)正常工況時(shí)可以給超級(jí)電容進(jìn)行充電。

充電模塊

典型系統(tǒng)采用降壓充電電路，將輸入電壓降至適合超級(jí)電容的充電電壓，并按照配置好的充電模式對(duì)超級(jí)電容組進(jìn)行充電，器件一般帶恒流充電或者輸入功率限制等功能。

超級(jí)電容組

超級(jí)電容，用于存儲(chǔ)能量，典型的單體超級(jí)電容電壓有 2.7V、3.0V 等，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求進(jìn)行串并聯(lián)組合。

均衡電路

確保每個(gè)單體超級(jí)電容單元的電壓均衡，防止過壓或欠壓，一般電路為帶基準(zhǔn)的比較器器件、功率 MOS 管、功率電阻，或者3者功能集成的器件，當(dāng)單體電容電壓超過閾值時(shí)，通過 MOS 和外部功率電阻進(jìn)行放電。

升壓模塊

一般為升壓轉(zhuǎn)換器，將超級(jí)電容的電壓提升至負(fù)載所需的工作電壓，推薦使用帶過流保護(hù)功能的寬輸入范圍同步升壓器件，以最大程度的利用電容能量。

切換控制模塊

切換電路，在輸入電源和超級(jí)電容之間升壓電路之間切換，確保負(fù)載在不同情況下獲得穩(wěn)定的電源供應(yīng)，需要根據(jù)輸入電源的狀態(tài)和負(fù)載需求，控制切換電路的運(yùn)作。

模塊整體電壓監(jiān)測(cè)及過流檢測(cè)、模組快速放電電路等

這些屬于整體的功能安全電路，由于超級(jí)電容的容量大，需要考慮整體模組的放電及故障關(guān)斷及監(jiān)控等。

分立方案 ADI 器件推薦

下表為各功能模塊下推薦的 ADI 器件以及它們的功能：

根據(jù)相關(guān)的器件和設(shè)計(jì)思路，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下的實(shí)際電路并進(jìn)行了一些簡單的測(cè)試。下圖 (圖2)、(圖3) 分別為電路模塊的正、反面。

圖2 模塊正面

圖3 模塊背面

模塊簡要測(cè)試

如下圖 (圖4) 所示，通道 1 是負(fù)載供電電壓，通道 2 是正常供電電壓 Vin, 通道 3 是超級(jí)電容充滿后升壓器件的輸出電壓。當(dāng)通道 2 發(fā)生故障或者電壓跌落，模塊切換到通道 3 輸出，切換過程基本沒有波動(dòng)。

圖4 通道 2 發(fā)生故障時(shí)的模塊切換備用電源狀態(tài)

從下圖 (圖5) 中看到，當(dāng)通道 2 正常供電電壓恢復(fù)正常，整個(gè)模塊在 400uS 內(nèi)完成了電源從通道 3 超級(jí)電容供電到通道 2 正常供電的切換。

圖5 模塊切換回正常供電狀態(tài)

ADI 集成器件介紹

ADI 目前推出了很多集成充電、升壓及功率路徑切換的器件方案，如MAX38890、LTC3350、LTC3351、LTC3355等，下圖 (圖6) 展示了 LTC3350 的推薦設(shè)計(jì)模塊。這些器件針對(duì)不同電壓等級(jí)、不同數(shù)量及容量的超級(jí)電容等，具有更高集成度的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)時(shí)可靈活選用。

圖6 LTC3350 的推薦設(shè)計(jì)模塊

總結(jié)

ADI 針對(duì)超級(jí)電容作為備用電源的設(shè)計(jì)方案，提供了多種解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們要在體積、可靠性、功能、效率、散熱等方面綜合考慮。ADI 與駿龍科技愿意幫助客戶在相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中尋找合適的方案，使產(chǎn)品在眾多要求中達(dá)到一個(gè)合理的平衡。