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超級(jí)電容器對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出新挑戰(zhàn)

發(fā)布時(shí)間:2008-10-16 來源:Advanced Analogic Technologies Inc

中心議題:

  • 介紹降低傳統(tǒng)電容尺寸的幾個(gè)可選方案
  • 討論采用超級(jí)電容器所面臨的新挑戰(zhàn)

解決方案:

  • 采用超級(jí)電容,必須限制浪涌電流
  • 使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的限流“智能開關(guān)”,為超級(jí)電容充電
  • 功率半導(dǎo)體制造商們開發(fā)出新型器件,解決超級(jí)電容安全充電的所有問題

 

在一些電池供電的系統(tǒng)或有功率限制的端口設(shè)計(jì)中,可用平均電流有限,而負(fù)載要求較高峰值電流,設(shè)計(jì)師需要小心應(yīng)付,確保系統(tǒng)功率不要超過主電源的容量。一般情況下,可用的峰值電流遠(yuǎn)小于負(fù)載的要求。對(duì)于不斷增長的PC卡、CF、PCI或USB格式無線數(shù)據(jù)卡尤其如此,這些數(shù)據(jù)卡廣泛用于GSM、GPRS、TD-CDMA和WiMAX數(shù)據(jù)通信。


這些無線協(xié)議均采用TDMA技術(shù),它在發(fā)射期間需要大的峰值電流。例如,GSM功率放大器發(fā)射時(shí)要求的峰值電流可以達(dá)到2A。在接收期間,電流小得多(約100mA)。這種大的范圍迫使設(shè)計(jì)師采用電容來“均化”從電源吸出的電流,即在不用時(shí)存儲(chǔ)能量,而在需要時(shí)釋放出峰值電流。


設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)電容技術(shù)或者需要大的外形尺寸,或者要并聯(lián)多只器件。為降低方案的尺寸,設(shè)計(jì)師一般會(huì)轉(zhuǎn)用大容值電容,或所謂的“超級(jí)”電容,它能以相對(duì)較小的尺寸提供大容值。然而,用超級(jí)電容也會(huì)帶來特殊的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。


雖然超級(jí)電容較低的等效串連電阻(ESR)有助于支持大峰值電流,但卻可能為充電帶來問題。在任何系統(tǒng)中,超級(jí)電容初始時(shí)都是放完電的狀態(tài)。當(dāng)?shù)谝淮问┘庸╇婋妷簳r(shí),超級(jí)電容看來像一只低阻值電阻。如果不加控制或限制,就會(huì)帶來一個(gè)巨大的浪涌電流。顯然,只要設(shè)計(jì)師采用超級(jí)電容,就必須限制浪涌電流。


有幾種可選方案,最簡單的方法是使用一只串聯(lián)電阻。在PC卡中,成功完成“主機(jī)/卡”協(xié)商之前可以吸入的最大電流為70mA。假設(shè)PC卡控制器需要一半電流來完成協(xié)商任務(wù),則在起動(dòng)時(shí),要么必須將超級(jí)電容與電源斷開,要么用一只約100?的電阻作限流(R=V/I)。以這種速率,如果電容以約五倍恒流完全充電,則電容會(huì)在大約6.7分鐘內(nèi)完全充好。


有一種更加可行的方案,即讓PC卡在完成主控與卡之間的協(xié)商以后,再從電源獲得更多電能。然后就可以用較低阻抗的電阻增加充電電流。開始時(shí),電容的電壓仍然為低,電阻的功耗非常大。當(dāng)電容開始充電,且電壓開始上升時(shí),功耗減小,可以降低電阻值。


圖1是一個(gè)電路實(shí)例,它包括一串在電容充電周期內(nèi)切換的遞減電阻值。開關(guān)點(diǎn)的時(shí)序可以定時(shí)(對(duì)要求非常精確、昂貴電阻的情況),也可以用各種附加的電壓檢測器監(jiān)控。還有個(gè)問題,當(dāng)電容完全充電,且拔下PC卡時(shí),存儲(chǔ)在電容中的能量足以毀壞連接器的管腳。


智能開關(guān)
另外一種為超級(jí)電容充電的方式是使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的限流“智能開關(guān)”。這些所謂的智能開關(guān)(Smartswitch)采用一支集成的P溝道或N溝道MOSFET作為負(fù)載開關(guān),并附帶有監(jiān)控和保護(hù)電路,對(duì)輸出限流。多數(shù)產(chǎn)品帶有熱過載保護(hù)功能,因此,如果在限流過程中,芯片溫度超過其額定最大值,則器件關(guān)斷。隨著芯片的冷卻,器件會(huì)重新導(dǎo)通,作低頻熱振蕩,直到高耗能周期結(jié)束為止。


在超級(jí)電容應(yīng)用中,智能開關(guān)導(dǎo)通,并由于大浪涌電流而立即開始限流。這種大浪涌電流產(chǎn)生一個(gè)很高的溫升,驅(qū)使器件進(jìn)入熱關(guān)斷,此時(shí)產(chǎn)生前述的熱振蕩。這不算是問題,因?yàn)樗邢蘖髦悄荛_關(guān)限制都設(shè)計(jì)為能承受這種振蕩。不過,當(dāng)開關(guān)關(guān)閉期間,電容不會(huì)充電,因此增加了充滿電的時(shí)間。另外,由于沒有附加電路,無法檢測電容充滿情況,也無法告訴系統(tǒng)已準(zhǔn)備好開始傳輸。


最近,功率半導(dǎo)體制造商們開發(fā)出了一種新型器件,解決了在最短時(shí)間為超級(jí)電容安全充電的所有問題。這些高度集成的器件帶一個(gè)P溝道MOSFET負(fù)載開關(guān),并集成有限流、保護(hù)PC卡連接器、電容連續(xù)充電、系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒可以使用以及決定何時(shí)開始電容充電所需要的全部電路。這些功能被集成在一個(gè)12PIN的TSOPJW封裝內(nèi),器件占用的PCB板空間不到9mm2。


圖2為使用某種這類新型器件的一個(gè)應(yīng)用。該器件有兩個(gè)外部可編程限流,可用于主機(jī)/卡協(xié)商期間提供不同的限流能力。在上電時(shí),器件在電源和超級(jí)電容之間提供一個(gè)低阻路徑。如果熱耗散低,器件將最終進(jìn)入限流狀態(tài),且超級(jí)電容將繼續(xù)充電,直至達(dá)到約98%的最終值。在這個(gè)點(diǎn)上,系統(tǒng)準(zhǔn)備好(system ready)信號(hào)將改變狀態(tài),告知系統(tǒng)可以開始傳輸。


如果熱耗散高,則芯片溫度將快速上升。當(dāng)溫度升至內(nèi)部設(shè)置的極限值時(shí),器件會(huì)起動(dòng)一個(gè)內(nèi)部數(shù)字電源循環(huán),將電流降至某個(gè)安全值。電源循環(huán)會(huì)以固定周期探測片芯的溫度,以限流設(shè)置點(diǎn)1/32為步長增、減電流,將片芯溫度調(diào)整到大約100°C。這個(gè)功能確保超級(jí)電容所有時(shí)候都在充電,在保護(hù)器件的同時(shí)減少充電時(shí)間。


在多數(shù)應(yīng)用中,通過改變超級(jí)電容的大小來減少傳輸中的電壓降,并在接收期間允許充電。通過增加可調(diào)遲滯,該器件使用戶能夠設(shè)定超級(jí)電容充滿的關(guān)鍵點(diǎn)。它可以設(shè)定為從低于滿充200mV到零之間的任何值。


過去,便攜系統(tǒng)中的超級(jí)電容只限于備份或等待應(yīng)用,電流小,充電時(shí)間一般很長。隨著越來越多數(shù)據(jù)卡用于便攜式應(yīng)用,設(shè)計(jì)師必須特別仔細(xì)地確保充電時(shí)間為最短,而系統(tǒng)解決方案仍保持小體積。新一代智能開關(guān)集成了限流、保護(hù)PC卡連接器、超級(jí)電容連續(xù)充電和告知系統(tǒng)電容已完備等功能所需全部電路,為開發(fā)人員提供了開發(fā)一種完整解決方案,同時(shí)減少元件數(shù)并大幅度縮小系統(tǒng)體積。


作者介紹
Phil Dewsbury是Advanced Analogic Technologies Inc. (AnalogicTech)系列產(chǎn)品總監(jiān)。他在業(yè)界有28年多的經(jīng)歷,曾在多家功率管理半導(dǎo)體公司擔(dān)任高級(jí)職位。


 

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