為什麼MOSFET是自動平衡超級電容器洩漏的最佳選擇

2020-12-06 EDN電子設計技術

MOSFET可降低超級電容器的工作偏置電壓，平衡電路的功耗，並可以根據溫度、時間和環境變化而自動調節。DDAednc

在能量採集、辦公自動化和備份系統等一系列新產品設計中，超級電容器（supercapacitor）引起了設計團隊的關注。這些超級電容器電池具有高效存儲能力，可根據需要快速釋放能量。為確保峰值性能和較長的產品生命周期，超級電容器的電壓必須得到平衡。如果由於電池之間的洩漏電流差異而發生不平衡，則可能觸發能量耗散，導致超級電容器電池過早失效。DDAednc

超級電容器，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，適合關鍵型數據保護和電池備份應用。對於供電需求不超過30秒的應用，它們正成為一種流行的選擇。DDAednc

超級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衝和儲存能量，從而最大化能量收集工作。DDAednc

有個問題：每個超級電容器都有電容、內阻和漏電流方面的容差。這可能會導致電池電壓不平衡。必須對超級電容器進行平衡，以確保電壓不超過超級電容器的最大額定電壓。DDAednc

電源系統設計人員應選擇同一製造商的超級電容器，以確保初始電池電壓值在同一範圍內。其次，必須補償由單個電池中的漏電流引起的任何電池電壓不平衡。DDAednc

有兩種類型的平衡方法可用於調節超級電容器電池的電壓：主動式和被動式。被動平衡方法會用到低值電阻，這種方法有點耗能，並且不能隨溫度變化而調節。主動式平衡方法使用運算放大器（op-amp），或使用MOSFET進行電流平衡。DDAednc

以下是兩個超級電容器串聯在一起的情景。第一種場景是超級電容器具有自動平衡功能，第二種場景是超級電容器不具備自動平衡功能。這兩種設計方案之間的差異將證明，需要一種自動校正漏電流變化影響的平衡方法。DDAednc

沒有自動平衡的超級電容器

漏電流會導致電壓不平衡和功率損耗。電源系統設計人員必須補償每個超級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間，超級電容器的工作壽命可能會縮短甚至永久損壞。DDAednc

下圖（圖1）展示了兩個串聯連接的超級電容器，沒有藉助自動平衡機制。它描述了漏電流如何隨差分電壓的變化而上下移動。如果不平衡，這一問題可能會因過壓效應而導致故障。DDAednc

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圖1：兩個串聯連接的超級電容器視圖，沒有自動平衡機制。DDAednc

圖1顯示，在2.3 V時，上面的超級電容器漏電流為1.6μA，而下面的超級電容器漏電流為0.8μA。如果這兩個超級電容器不平衡和均衡漏電流，那麼下面的超級電容器可能由於過壓而永久失效。DDAednc

超級電容器具有自動平衡功能

圖2示出了MOSFET如何通過降低超級電容器的工作偏置電壓來平衡超級電容器，從而平衡電路的功耗。DDAednc
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圖2：兩個串聯的超級電容器使用MOSFET晶片實現卓越的自動平衡。DDAednc

假設：DDAednc

1. Charge voltage of 4.6V 充電電壓為4.6VDDAednc
2. Cell capacitance C1=C2 電池電容C1 = C2DDAednc
3. Zero is either slightly positive, zero, or slightly negative power burn.：零點是略微正、零或略微負的功耗。DDAednc

沒有自動平衡的超級電容器由上面的水平虛線表示，可能由於過壓而損壞電池。水平實線表示使用MOSFET器件的電流平衡操作。當MOSFET連接在陣列中的超級電容器上時，由另一個超級電容器的漏電流引起的電壓小幅上升會導致該MOSFET的導通電阻（RDS(ON)）大幅下降。這會引起超級電容器的電流增加，隨後降低電壓。DDAednc

自動平衡的原理是利用MOSFET器件的自然閾值特性。在閾值電壓下，MOSFET導通並開始傳導電流。該特性可確保MOSFET晶片幾乎很少或沒有額外的漏電流。DDAednc

圖2還顯示了運算放大器電壓平衡方法如何迫使兩個超級電容器單元在2.3V的中點達到相同的電壓。但是，這樣做時，兩個電池會消耗一些功率。如果兩個電池的電容沒有充分平衡，則會導致額外的功耗。因此，在運算放大器自動平衡的過程中存在顯著的能耗。此外，運算放大器也會通過其電路網絡自行消耗電能。DDAednc

使用運算放大器，如果兩個電池的電容值之間存在不匹配，則會導致功耗。與運放不同的是，MOSFET可通過互補的反向電流水平來實現自然的電池平衡。DDAednc

另外，圖2中的超級電容器電池1和電池2是可以互換的。因此，不知道哪一個有更大的漏電流。一些電流來自MOSFET本身，而不是超級電容器電池2。DDAednc

基於MOSFET的漏電流平衡機制是完全自動化的，幾乎適用於所有超級電容器。這種自動平衡技巧不需要額外的電流消耗，並且可以根據溫度、時間和環境變化而自動調節。DDAednc

從MOSFET到線路板

即插即用型印刷電路板（PCB）可以安裝MOSFET，以自動平衡超級電容器電池的漏電流和電壓。單個或多個MOSFET都可以安裝到超級電容自動平衡（SAB）PCB上，以自動平衡超級電容器電池。DDAednc

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圖3：尺寸為0.6×1英寸的SABMB2線路板的方框圖，用於超級電容器自動平衡。DDAednc

例如，ALD的即插即用型SAB PCB可用於原型設計或生產設計。這些電路板可以級聯形成一個系列鏈，範圍從2到數百個，用於平衡超級電容器堆棧。DDAednc

（原文刊登於ASPENCORE旗下Electronic Products英文網站，參考連結：Why MOSFETs are the best choice for automatically balancing supercapacitor leakage?）DDAednc

相關焦點

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