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MOSFET可下降超级电容器的作业偏置电压,平衡电路的功耗,并能够依据温度、时刻和环境改变而主动调理。

在能量搜集、办公主动化和备份体系等一系列新产品规划中,超级电容器(supercapacitor)引起了规划团队的重视。这些超级电容器电池具有高效存储才能,可依据需求快速开释能量。为保证峰值功用和较长的产品生命周期,超级电容器的电压有必要得到平衡。假如因为电池之间的走漏电流差异而发作不平衡,则或许触发能量耗散,导致超级电容器电池过早失效。

超级电容器,也称为超电容(ultracapacitor),具有高功率、快速充/放电、峰值功率减少和备用电源等功用特性,合适要害型数据维护和电池备份运用。关于供电需求不超越30秒的运用,它们正成为一种盛行的挑选。

超级电容器也提高了能量密度。跟着电池逐步添加功率密度,它们能够更有效地缓冲和贮存能量,然后最大化能量搜集作业。

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。这或许会导致电池电压不平衡。有必要对超级电容器进行平衡,以保证电压不超越超级电容器的最大额定电压。

电源体系规划人员应挑选同一制造商的超级电容器,以保证初始电池电压值在同一规模内。其次,有必要补偿由单个电池中的漏电流引起的任何电池电压不平衡。

有两种类型的平衡办法可用于调理超级电容器电池的电压:主动式和被迫式。被迫平衡办法会用到低值电阻,这种办法有点耗能,而且不能随温度改变而调理。主动式平衡办法运用运算放大器(op-amp),或运用MOSFET进行电流平衡。

以下是两个超级电容器串联在一起的情形。第一种场景是超级电容器具有主动平衡功用,第二种场景是超级电容器不具备主动平衡功用。这两种规划方案之间的差异将证明,需求一种主动校对漏电流改变影响的平衡办法。

没有主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。电源体系规划人员有必要补偿每个超级电容器电池的漏电流。不然,假如电压超越电池额定电压一段时刻,超级电容器的作业寿数或许会缩短乃至永久损坏。

下图(图1)展现了两个串联衔接的超级电容器,没有凭借主动平衡机制。它描绘了漏电流怎么随差分电压的改变而上下移动。假如不平衡,这一问题或许会因过压效应而导致毛病。


图1:两个串联衔接的超级电容器视图,没有主动平衡机制。


图1显现,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。假如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或许因为过压而永久失效。

超级电容器具有主动平衡功用

图2示出了MOSFET怎么经过下降超级电容器的作业偏置电压来平衡超级电容器,然后平衡电路的功耗。

图2:两个串联的超级电容器运用MOSFET芯片完成杰出的主动平衡。

ASSUME: 假定

1.Charge voltage of 4.6V 充电电压为4.6V

2.Cell capacitance C1=C2 电池电容C1 = C2

3.Zero is either slightly positive, zero, or slightly negative power burn.:零点是稍微正、零或稍微负的功耗。

没有主动平衡的超级电容器由上面的水平虚线表明,或许因为过压而损坏电池。水平实线表明运用MOSFET器材的电流平衡操作。当MOSFET衔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添加,随后下降电压。

主动平衡的原理是运用MOSFET器材的天然阈值特性。在阈值电压下,MOSFET导通并开端传导电流。该特性可保证MOSFET芯片简直很少或没有额定的漏电流。

图2还显现了运算放大器电压平衡办法怎么迫使两个超级电容器单元在2.3V的中点到达相同的电压。可是,这样做时,两个电池会耗费一些功率。假如两个电池的电容没有充沛平衡,则会导致额定的功耗。因而,在运算放大器主动平衡的过程中存在明显的能耗。此外,运算放大器也会经过其电路网络自行耗费电能。

运用运算放大器,假如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可经过互补的反向电流水平来完成天然的电池平衡。

别的,图2中的超级电容器电池1和电池2是能够交换的。因而,不知道哪一个有更大的漏电流。一些电流来自MOSFET自身,而不是超级电容器电池2。

依据MOSFET的漏电流平衡机制是彻底主动化的,简直适用于一切超级电容器。这种主动平衡技巧不需求额定的电流耗费,而且能够依据温度、时刻和环境改变而主动调理。

从MOSFET到线路板

即插即用型印刷电路板(PCB)能够装置MOSFET,以主动平衡超级电容器电池的漏电流和电压。单个或多个MOSFET都能够装置到超级电容主动平衡(SAB)PCB上,以主动平衡超级电容器电池。

图3:尺度为0.6×1英寸的SABMB2线路板的方框图,用于超级电容器主动平衡。

例如,ALD的即插即用型SAB PCB可用于原型规划或出产规划。这些电路板能够级联构成一个系列链,规模从2到数百个,用于平衡超级电容器仓库。

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