可滿足峰值功率負(fù)載的超級(jí)電容器介紹

對(duì)于今天的大多數(shù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，從事空間受限的電池供電的消費(fèi)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作將成為最具挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品。除了能夠在給定的機(jī)箱尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)所需的功能之外，最重要的考慮因素之一是可用的功率預(yù)算?？捎糜谒须娮釉O(shè)備的空間(例如處理器，無(wú)線連接和顯示器/UI)之間的平衡行為需要與電池的空間相對(duì)應(yīng)。

對(duì)于某些應(yīng)用，例如與具有相機(jī)閃光功能的智能手機(jī)中的相比，峰值功率負(fù)載明顯高于任何其他用例，盡管是短暫的。面臨這種挑戰(zhàn)的工程師可能會(huì)考慮使用超級(jí)電容器(也稱(chēng)為雙電層電容器(EDLC))作為滿足峰值負(fù)載要求的方法。超級(jí)電容器能夠存儲(chǔ)比方便的電解電容器多100倍的電容，通?？梢蕴峁└哌_(dá)4安培的電流，持續(xù)40毫秒。這種EDLC也是提供備用電源以適應(yīng)應(yīng)用主電源瞬間中斷的理想選擇。用于固態(tài)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的備用電源，內(nèi)存?zhèn)浞?，?shí)時(shí)時(shí)鐘備用電源以及用作能量收集設(shè)備的能量存儲(chǔ)器都是使用EDLC的候選電源。

EDLC，與陶瓷或電解電容器不同，不要使用介電層。取而代之的是兩個(gè)電極之間的電解質(zhì)，無(wú)論是固體還是凝膠狀物質(zhì)(圖1)。這種結(jié)構(gòu)的所得電容與電極的表面積成比例，并且通過(guò)使用沉積在鋁箔上的動(dòng)力活性炭作為電極，提供相當(dāng)高的電容值。進(jìn)出電極表面的離子吸收過(guò)程會(huì)產(chǎn)生EDLC的充電和放電。

圖1：構(gòu)建超級(jí)電容器 - EDLC

EDLC的構(gòu)造往往因制造商而異，每個(gè)都具有略微不同的特征。例如，Murata及其DMT/DMF系列(圖2)采用鋁質(zhì)層壓薄膜包裝，兩側(cè)涂有絕緣塑料層?；钚蕴侩姌O和電解質(zhì)的夾層構(gòu)成多層包裝，并且每個(gè)片材通過(guò)分離器機(jī)械地和電氣地分離。而且，兩個(gè)電容器形成在單個(gè)“袋”封裝內(nèi)，并且除了外部電極之外還與連接到中點(diǎn)的引線串聯(lián)連接。 Murata產(chǎn)品的一個(gè)例子是DMT334R2S47，一個(gè)470 mF超級(jí)電容器，額定工作電壓為4.2 VDC。 TDK采用類(lèi)似的方法，其EDLC252520系列，例如EDLC252520-351-2F-21,350 mF，工作電壓為3.2 VDC。

圖2：Murata EDLC封裝示例

相比之下，松下與其Gold系列EDLC采用了幾種具有不同特性的結(jié)構(gòu)形式。紐扣電池格式用于存儲(chǔ)器備份應(yīng)用和太陽(yáng)能電池的輔助電源，多層堆疊紐扣電池布置用于工業(yè)和汽車(chē)存儲(chǔ)器備份應(yīng)用，并且使用更熟悉的圓柱形封裝，具有相對(duì)低的ESR，用于更高電流的應(yīng)用，如玩具。一個(gè)例子是EEC-S0HD334V，一個(gè)330 mF 5.5 VDC工作電壓部件。

為了更好地了解EDLC的行為和操作，有必要考慮其等效電路模型。從簡(jiǎn)單的第一眼看，模型如圖3所示。

圖3：EDLC的簡(jiǎn)單等效電路模型

請(qǐng)注意，EDLC中兩個(gè)電容器單元的組合創(chuàng)建了一個(gè)進(jìn)一步簡(jiǎn)化的模型。等效電容為一半，有效串聯(lián)電阻(ESR)加倍。然而，該模型沒(méi)有考慮活性炭電極的實(shí)際行為。由于其沉積導(dǎo)致表面上不同深度的層或孔，離子的移動(dòng)變化。結(jié)果是離子可以快速移動(dòng)到表面上的活性炭，但是更深層次的離子需要更長(zhǎng)時(shí)間。表面快速接受電荷，但較深的層需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能完全充電。為了在等效電路模型中考慮到這一點(diǎn)，更精確的表示 - 見(jiàn)圖4 - 包含多個(gè)并聯(lián)電容和串聯(lián)電阻。

圖4：EDLC的詳細(xì)等效電路模型

通常，大多數(shù)超級(jí)電容器EDLC器件制造商提供的電容值范圍從幾百毫法拉到幾法拉，工作電壓通常高達(dá)5.5 VDC 。雖然它們的電容值和它們的能量存儲(chǔ)能力很高，但它們的物理尺寸往往相對(duì)較薄。例如，Murata DMF-4B5R5G 1 F，5.5 WVDC部件尺寸僅為1.181 x 0.515 x 0.146英寸(30.00 x 14.00 x 3.70 mm)。

與鉭或鋁電容器相比，EDLC可提供100多個(gè)倍于儲(chǔ)能能力。例如，1.5 F 6.3 V鉭電容可提供高達(dá)20 mJ的存儲(chǔ)能量，而470 mF 4.2 V EDLC可存儲(chǔ)2,000 mJ的能量?？紤]到鉭電容器在發(fā)生短路時(shí)會(huì)引起火災(zāi)，它們的費(fèi)用和鋁的大尺寸以及有限的壽命周期，EDLC成為提供高峰值負(fù)載或備用電源應(yīng)用的理想選擇。通?？梢蕴峁?0瓦特，有些則可以提供高達(dá)100瓦的輸出功率。此外，與使用鋰紐扣電池代替EDLC相比，鋰電池只能提供非常低的功率。

為EDLC充電通常只需幾分鐘，取決于有效電阻設(shè)備(圖5)。由于EDLC具有很少的內(nèi)部電阻，因此通常不需要任何外部限流電阻。

圖5：EDLC充電之間的關(guān)系 - 內(nèi)阻和時(shí)間

圖6顯示了基于恒流放電的EDLC放電周期的一般模型。

圖圖6：EDLC恒流放電的典型放電曲線

圖7說(shuō)明了Murata DMF系列EDLC的這種情況。由于內(nèi)部ESR，在放電時(shí)存在初始電壓降，當(dāng)出現(xiàn)較大的電流條件時(shí)，電壓降較大。然后EDLC的電壓開(kāi)始隨時(shí)間下降。這種下降的速度取決于消耗的電流和標(biāo)稱(chēng)電容值。在恒定功率放電的情況下，電壓和時(shí)間之間的關(guān)系不是線性的，并且基于放電功率(P)，標(biāo)稱(chēng)電容(C)和瞬時(shí)電壓電平V形成更多曲線，由dv/dt = P/CV。

圖7：Murata DMF EDLC的放電曲線

如前所述，有一些用于EDLC的理想用例。

圖8顯示了使用EDLC作為平衡電池設(shè)計(jì)中負(fù)載峰值的方法。提供額外的電力來(lái)補(bǔ)充電池電源輸出，當(dāng)負(fù)載需求超過(guò)單獨(dú)的電池能夠提供時(shí)，組合電源滿足應(yīng)用需求。

圖8：高峰負(fù)載均衡

在本文簡(jiǎn)介中提到的用例場(chǎng)景中，提供EDLC以提供圖9中示出了高峰值功率能力。這樣的峰值負(fù)載可以是智能電話上的相機(jī)閃光功能或者適應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)峰值負(fù)載。通過(guò)使用EDLC代替使用更高額定電池的這些功能，設(shè)計(jì)工程師可以降低整體BOM成本并將所需空間降至最低。這在當(dāng)今空間受限的消費(fèi)電子設(shè)備中尤為重要。

圖9：高峰功率功能

EDLC也可以用于存儲(chǔ)電源不頻繁但仍存在穩(wěn)定負(fù)載條件的能量。參見(jiàn)圖10.使用能量收集代替電池并且沒(méi)有其他可靠電源可用的概念吸引了那些開(kāi)發(fā)用于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用的傳感器應(yīng)用。從多個(gè)(如太陽(yáng)能電池和振動(dòng)采集器)收集的能量可以很容易地存儲(chǔ)在EDLC中，以便為無(wú)線傳感器應(yīng)用提供可靠的電源。

圖10：能量收集應(yīng)用的能量存儲(chǔ)

最終用例是為內(nèi)存應(yīng)用提供臨時(shí)備用電源，如固態(tài)驅(qū)動(dòng)器(SSD)，如圖11所示SSD的電源中斷是一個(gè)關(guān)鍵事件。由于依賴(lài)于高速緩沖存儲(chǔ)器，如果電源突然失效，任何未決的磁盤(pán)/高速緩存寫(xiě)入很可能會(huì)丟失，因?yàn)椴粫?huì)發(fā)生正確的待機(jī)/關(guān)閉過(guò)程。為了防止數(shù)據(jù)丟失和可能損壞的磁盤(pán)分區(qū)，可以使用EDLC確保關(guān)閉和/或緩存寫(xiě)入過(guò)程可以無(wú)錯(cuò)誤地發(fā)生。

圖11：固態(tài)驅(qū)動(dòng)器的備用電源

EDLC越來(lái)越受設(shè)計(jì)工程師的青睞，如電池和大電容器替代品。能夠提供高能量，占用很小的電路板空間并具有良好的可靠性和老化特性，EDLC將非常受歡迎。