為什么MOSFET是自動平衡超級電容器泄漏的最佳選擇
發(fā)布時間:2019-06-28 來源:Robert Chao 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】MOSFET可降低超級電容器的工作偏置電壓,平衡電路的功耗,并可以根據(jù)溫度、時間和環(huán)境變化而自動調(diào)節(jié)。
在能量采集、辦公自動化和備份系統(tǒng)等一系列新產(chǎn)品設(shè)計中,超級電容器(supercapacitor)引起了設(shè)計團隊的關(guān)注。這些超級電容器電池具有高效存儲能力,可根據(jù)需要快速釋放能量。為確保峰值性能和較長的產(chǎn)品生命周期,超級電容器的電壓必須得到平衡。如果由于電池之間的泄漏電流差異而發(fā)生不平衡,則可能觸發(fā)能量耗散,導(dǎo)致超級電容器電池過早失效。
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(guān)鍵型數(shù)據(jù)保護和電池備份應(yīng)用。對于供電需求不超過30秒的應(yīng)用,它們正成為一種流行的選擇。
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沖和儲存能量,從而最大化能量收集工作。
有個問題:每個超級電容器都有電容、內(nèi)阻和漏電流方面的容差。這可能會導(dǎo)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。
電源系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)選擇同一制造商的超級電容器,以確保初始電池電壓值在同一范圍內(nèi)。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。
有兩種類型的平衡方法可用于調(diào)節(jié)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,并且不能隨溫度變化而調(diào)節(jié)。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。
以下是兩個超級電容器串聯(lián)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(shè)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。
沒有自動平衡的超級電容器
漏電流會導(dǎo)致電壓不平衡和功率損耗。電源系統(tǒng)設(shè)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。
下圖(圖1)展示了兩個串聯(lián)連接的超級電容器,沒有借助自動平衡機制。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(yīng)而導(dǎo)致故障。
圖1:兩個串聯(lián)連接的超級電容器視圖,沒有自動平衡機制
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,那么下面的超級電容器可能由于過壓而永久失效。
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。
圖2:兩個串聯(lián)的超級電容器使用MOSFET芯片實現(xiàn)卓越的自動平衡
ASSUME: 假設(shè)
1. Charge voltage of 4.6V 充電電壓為4.6V
2. Cell capacitance C1=C2 電池電容C1 = C2
3. Zero is either slightly positive, zero, or slightly negative power burn.:零點是略微正、零或略微負(fù)的功耗。
沒有自動平衡的超級電容器由上面的水平虛線表示,可能由于過壓而損壞電池。水平實線表示使用MOSFET器件的電流平衡操作。當(dāng)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(dǎo)致該MOSFET的導(dǎo)通電阻(RDS(ON))大幅下降。這會引起超級電容器的電流增加,隨后降低電壓。
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(dǎo)通并開始傳導(dǎo)電流。該特性可確保MOSFET芯片幾乎很少或沒有額外的漏電流。
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(dǎo)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(wǎng)絡(luò)自行消耗電能。
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(dǎo)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(xiàn)自然的電池平衡。
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。
基于MOSFET的漏電流平衡機制是完全自動化的,幾乎適用于所有超級電容器。這種自動平衡技巧不需要額外的電流消耗,并且可以根據(jù)溫度、時間和環(huán)境變化而自動調(diào)節(jié)。
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。
圖3:尺寸為0.6×1英寸的SABMB2線路板的方框圖,用于超級電容器自動平衡
例如,ALD的即插即用型SAB PCB可用于原型設(shè)計或生產(chǎn)設(shè)計。這些電路板可以級聯(lián)形成一個系列鏈,范圍從2到數(shù)百個,用于平衡超級電容器堆棧。
本文轉(zhuǎn)載自電子工程專輯。
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