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为什么MOSFET是自动平衡超级电容器泄漏的最佳选择

时间:2019-06-23 作者:Robert Chao 阅读:
在能量采集、办公自动化和备份系统等一系列新产品设计中,超级电容器(supercapacitor)引起了设计团队的关注。这些超级电容器电池具有高效存储能力,可根据需要快速释放能量。为确保峰值性能和较长的产品生命周期,超级电容器的电压必须得到平衡。因为每个超级电容器都有电容、内阻和漏电流方面的容差。这可能会导致电池电压不平衡。必须对超级电容器进行平衡,以确保电压不超过超级电容器的最大额定电压。本文将告诉我们MOSFET降低超级电容器的工作偏压,平衡电路的功率消耗,并可以自动调整温度,时间和环境的变化。

MOSFET可降低超级电容器的工作偏置电压,平衡电路的功耗,并可以根据温度、时间和环境变化而自动调节。zirEETC-电子工程专辑

在能量采集、办公自动化和备份系统等一系列新产品设计中,超级电容器(supercapacitor)引起了设计团队的关注。这些超级电容器电池具有高效存储能力,可根据需要快速释放能量。为确保峰值性能和较长的产品生命周期,超级电容器的电压必须得到平衡。如果由于电池之间的泄漏电流差异而发生不平衡,则可能触发能量耗散,导致超级电容器电池过早失效。zirEETC-电子工程专辑

超级电容器,也称为超电容(ultracapacitor),具有高功率、快速充/放电、峰值功率削减和备用电源等功能特性,适合关键型数据保护和电池备份应用。对于供电需求不超过30秒的应用,它们正成为一种流行的选择。zirEETC-电子工程专辑

超级电容器也提高了能量密度。随着电池逐渐增加功率密度,它们可以更有效地缓冲和储存能量,从而最大化能量收集工作。zirEETC-电子工程专辑

有个问题:每个超级电容器都有电容、内阻和漏电流方面的容差。这可能会导致电池电压不平衡。必须对超级电容器进行平衡,以确保电压不超过超级电容器的最大额定电压。zirEETC-电子工程专辑

电源系统设计人员应选择同一制造商的超级电容器,以确保初始电池电压值在同一范围内。其次,必须补偿由单个电池中的漏电流引起的任何电池电压不平衡。zirEETC-电子工程专辑

有两种类型的平衡方法可用于调节超级电容器电池的电压:主动式和被动式。被动平衡方法会用到低值电阻,这种方法有点耗能,并且不能随温度变化而调节。主动式平衡方法使用运算放大器(op-amp),或使用MOSFET进行电流平衡。zirEETC-电子工程专辑

以下是两个超级电容器串联在一起的情景。第一种场景是超级电容器具有自动平衡功能,第二种场景是超级电容器不具备自动平衡功能。这两种设计方案之间的差异将证明,需要一种自动校正漏电流变化影响的平衡方法。zirEETC-电子工程专辑

没有自动平衡的超级电容器

漏电流会导致电压不平衡和功率损耗。电源系统设计人员必须补偿每个超级电容器电池的漏电流。否则,如果电压超过电池额定电压一段时间,超级电容器的工作寿命可能会缩短甚至永久损坏。zirEETC-电子工程专辑

下图(图1)展示了两个串联连接的超级电容器,没有借助自动平衡机制。它描述了漏电流如何随差分电压的变化而上下移动。如果不平衡,这一问题可能会因过压效应而导致故障。zirEETC-电子工程专辑

zirEETC-电子工程专辑

图1:两个串联连接的超级电容器视图,没有自动平衡机制。zirEETC-电子工程专辑

图1显示,在2.3 V时,上面的超级电容器漏电流为1.6μA,而下面的超级电容器漏电流为0.8μA。如果这两个超级电容器不平衡和均衡漏电流,那么下面的超级电容器可能由于过压而永久失效。zirEETC-电子工程专辑

超级电容器具有自动平衡功能

图2示出了MOSFET如何通过降低超级电容器的工作偏置电压来平衡超级电容器,从而平衡电路的功耗。zirEETC-电子工程专辑
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图2:两个串联的超级电容器使用MOSFET芯片实现卓越的自动平衡。zirEETC-电子工程专辑

ASSUME: 假设zirEETC-电子工程专辑

1. Charge voltage of 4.6V 充电电压为4.6VzirEETC-电子工程专辑
2. Cell capacitance C1=C2 电池电容C1 = C2zirEETC-电子工程专辑
3. Zero is either slightly positive, zero, or slightly negative power burn.:零点是略微正、零或略微负的功耗。zirEETC-电子工程专辑

没有自动平衡的超级电容器由上面的水平虚线表示,可能由于过压而损坏电池。水平实线表示使用MOSFET器件的电流平衡操作。当MOSFET连接在阵列中的超级电容器上时,由另一个超级电容器的漏电流引起的电压小幅上升会导致该MOSFET的导通电阻(RDS(ON))大幅下降。这会引起超级电容器的电流增加,随后降低电压。zirEETC-电子工程专辑

自动平衡的原理是利用MOSFET器件的自然阈值特性。在阈值电压下,MOSFET导通并开始传导电流。该特性可确保MOSFET芯片几乎很少或没有额外的漏电流。zirEETC-电子工程专辑

图2还显示了运算放大器电压平衡方法如何迫使两个超级电容器单元在2.3V的中点达到相同的电压。但是,这样做时,两个电池会消耗一些功率。如果两个电池的电容没有充分平衡,则会导致额外的功耗。因此,在运算放大器自动平衡的过程中存在显著的能耗。此外,运算放大器也会通过其电路网络自行消耗电能。zirEETC-电子工程专辑

使用运算放大器,如果两个电池的电容值之间存在不匹配,则会导致功耗。与运放不同的是,MOSFET可通过互补的反向电流水平来实现自然的电池平衡。zirEETC-电子工程专辑

另外,图2中的超级电容器电池1和电池2是可以互换的。因此,不知道哪一个有更大的漏电流。一些电流来自MOSFET本身,而不是超级电容器电池2。zirEETC-电子工程专辑

基于MOSFET的漏电流平衡机制是完全自动化的,几乎适用于所有超级电容器。这种自动平衡技巧不需要额外的电流消耗,并且可以根据温度、时间和环境变化而自动调节。zirEETC-电子工程专辑

从MOSFET到线路板

即插即用型印刷电路板(PCB)可以安装MOSFET,以自动平衡超级电容器电池的漏电流和电压。单个或多个MOSFET都可以安装到超级电容自动平衡(SAB)PCB上,以自动平衡超级电容器电池。zirEETC-电子工程专辑

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图3:尺寸为0.6×1英寸的SABMB2线路板的方框图,用于超级电容器自动平衡。zirEETC-电子工程专辑

例如,ALD的即插即用型SAB PCB可用于原型设计或生产设计。这些电路板可以级联形成一个系列链,范围从2到数百个,用于平衡超级电容器堆栈。zirEETC-电子工程专辑

本文同步刊登于电子工程专辑杂志2019年6月刊zirEETC-电子工程专辑

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