【導(dǎo)讀】MOSFET可降低超級(jí)電容器的工作偏置電壓，平衡電路的功耗，并可以根據(jù)溫度、時(shí)間和環(huán)境變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)。
在能量采集、辦公自動(dòng)化和備份系統(tǒng)等一系列新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，超級(jí)電容器(supercapacitor)引起了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的關(guān)注。這些超級(jí)電容器電池具有高效存儲(chǔ)能力，可根據(jù)需要快速釋放能量。為確保峰值性能和較長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期，超級(jí)電容器的電壓必須得到平衡。如果由于電池之間的泄漏電流差異而發(fā)生不平衡，則可能觸發(fā)能量耗散，導(dǎo)致超級(jí)電容器電池過早失效。
超級(jí)電容器，也稱為超電容(ultracapacitor)，具有高功率、快速充/放電、峰值功率削減和備用電源等功能特性，適合關(guān)鍵型數(shù)據(jù)保護(hù)和電池備份應(yīng)用。對(duì)于供電需求不超過30秒的應(yīng)用，它們正成為一種流行的選擇。
超級(jí)電容器也提高了能量密度。隨著電池逐漸增加功率密度，它們可以更有效地緩沖和儲(chǔ)存能量，從而最大化能量收集工作。
有個(gè)問題：每個(gè)超級(jí)電容器都有電容、內(nèi)阻和漏電流方面的容差。這可能會(huì)導(dǎo)致電池電壓不平衡。必須對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行平衡，以確保電壓不超過超級(jí)電容器的最大額定電壓。
電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇同一制造商的超級(jí)電容器，以確保初始電池電壓值在同一范圍內(nèi)。其次，必須補(bǔ)償由單個(gè)電池中的漏電流引起的任何電池電壓不平衡。
有兩種類型的平衡方法可用于調(diào)節(jié)超級(jí)電容器電池的電壓：主動(dòng)式和被動(dòng)式。被動(dòng)平衡方法會(huì)用到低值電阻，這種方法有點(diǎn)耗能，并且不能隨溫度變化而調(diào)節(jié)。主動(dòng)式平衡方法使用運(yùn)算放大器(op-amp)，或使用MOSFET進(jìn)行電流平衡。
以下是兩個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)在一起的情景。第一種場(chǎng)景是超級(jí)電容器具有自動(dòng)平衡功能，第二種場(chǎng)景是超級(jí)電容器不具備自動(dòng)平衡功能。這兩種設(shè)計(jì)方案之間的差異將證明，需要一種自動(dòng)校正漏電流變化影響的平衡方法。
沒有自動(dòng)平衡的超級(jí)電容器
漏電流會(huì)導(dǎo)致電壓不平衡和功率損耗。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須補(bǔ)償每個(gè)超級(jí)電容器電池的漏電流。否則，如果電壓超過電池額定電壓一段時(shí)間，超級(jí)電容器的工作壽命可能會(huì)縮短甚至永久損壞。
下圖(圖1)展示了兩個(gè)串聯(lián)連接的超級(jí)電容器，沒有借助自動(dòng)平衡機(jī)制。它描述了漏電流如何隨差分電壓的變化而上下移動(dòng)。如果不平衡，這一問題可能會(huì)因過壓效應(yīng)而導(dǎo)致故障。
圖1：兩個(gè)串聯(lián)連接的超級(jí)電容器視圖，沒有自動(dòng)平衡機(jī)制
圖1顯示，在2.3 V時(shí)，上面的超級(jí)電容器漏電流為1.6μA，而下面的超級(jí)電容器漏電流為0.8μA。如果這兩個(gè)超級(jí)電容器不平衡和均衡漏電流，那么下面的超級(jí)電容器可能由于過壓而永久失效。
超級(jí)電容器具有自動(dòng)平衡功能
圖2示出了MOSFET如何通過降低超級(jí)電容器的工作偏置電壓來(lái)平衡超級(jí)電容器，從而平衡電路的功耗。
圖2：兩個(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容器使用MOSFET芯片實(shí)現(xiàn)卓越的自動(dòng)平衡
ASSUME: 假設(shè)
1. Charge voltage of 4.6V 充電電壓為4.6V
2. Cell capacitance C1=C2 電池電容C1 = C2
3. Zero is either slightly positive, zero, or slightly negative power burn.：零點(diǎn)是略微正、零或略微負(fù)的功耗。
沒有自動(dòng)平衡的超級(jí)電容器由上面的水平虛線表示，可能由于過壓而損壞電池。水平實(shí)線表示使用MOSFET器件的電流平衡操作。當(dāng)MOSFET連接在陣列中的超級(jí)電容器上時(shí)，由另一個(gè)超級(jí)電容器的漏電流引起的電壓小幅上升會(huì)導(dǎo)致該MOSFET的導(dǎo)通電阻(RDS(ON))大幅下降。這會(huì)引起超級(jí)電容器的電流增加，隨后降低電壓。
自動(dòng)平衡的原理是利用MOSFET器件的自然閾值特性。在閾值電壓下，MOSFET導(dǎo)通并開始傳導(dǎo)電流。該特性可確保MOSFET芯片幾乎很少或沒有額外的漏電流。
圖2還顯示了運(yùn)算放大器電壓平衡方法如何迫使兩個(gè)超級(jí)電容器單元在2.3V的中點(diǎn)達(dá)到相同的電壓。但是，這樣做時(shí)，兩個(gè)電池會(huì)消耗一些功率。如果兩個(gè)電池的電容沒有充分平衡，則會(huì)導(dǎo)致額外的功耗。因此，在運(yùn)算放大器自動(dòng)平衡的過程中存在顯著的能耗。此外，運(yùn)算放大器也會(huì)通過其電路網(wǎng)絡(luò)自行消耗電能。
使用運(yùn)算放大器，如果兩個(gè)電池的電容值之間存在不匹配，則會(huì)導(dǎo)致功耗。與運(yùn)放不同的是，MOSFET可通過互補(bǔ)的反向電流水平來(lái)實(shí)現(xiàn)自然的電池平衡。
另外，圖2中的超級(jí)電容器電池1和電池2是可以互換的。因此，不知道哪一個(gè)有更大的漏電流。一些電流來(lái)自MOSFET本身，而不是超級(jí)電容器電池2。
基于MOSFET的漏電流平衡機(jī)制是完全自動(dòng)化的，幾乎適用于所有超級(jí)電容器。這種自動(dòng)平衡技巧不需要額外的電流消耗，并且可以根據(jù)溫度、時(shí)間和環(huán)境變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)。
從MOSFET到線路板
即插即用型印刷電路板(PCB)可以安裝MOSFET，以自動(dòng)平衡超級(jí)電容器電池的漏電流和電壓。單個(gè)或多個(gè)MOSFET都可以安裝到超級(jí)電容自動(dòng)平衡(SAB)PCB上，以自動(dòng)平衡超級(jí)電容器電池。
圖3：尺寸為0.6×1英寸的SABMB2線路板的方框圖，用于超級(jí)電容器自動(dòng)平衡
例如，ALD的即插即用型SAB PCB可用于原型設(shè)計(jì)或生產(chǎn)設(shè)計(jì)。這些電路板可以級(jí)聯(lián)形成一個(gè)系列鏈，范圍從2到數(shù)百個(gè)，用于平衡超級(jí)電容器堆棧。
本文轉(zhuǎn)載自電子工程專輯。
推薦閱讀：
