ADI大电流超级电容器后备电源控制器LTC3350介绍

许多工程师在采用超级电容作为瞬停或停电备份方案时，常常面临控制难题：例如“如何高效管理超级电容”或“设计时需注意哪些关键点”。本文将介绍超级电容器在应用中的挑战，以及 ADI 的大电流超级电容器后备电源控制器「LTC3350」三大核心优势。

01超级电容器的应用和挑战

超级电容器常用于工厂和数据中心的瞬停备份电源。它具有充电速度比电池快、并且能一次释放大量能量的优势，但由于能量密度低，不适合长期供应。作为备用电源，适用于几秒到几十秒的供电。下表 (表1) 为主要储能元件对比：

表1 主要储能元件对比表

超级电容器的控制挑战

延长备份时间：确保有足够的备份时间以防止重要数据丢失。

延长超级电容器的寿命：适当的控制和管理很重要，因为寿命会因使用条件而异。

减少充电时间：以便始终提供备用电源。

ADI 的后备电源控制器 LTC3350 可以有效解决这些问题并充分利用超级电容器，接下来将介绍它的功能和特点。

02ADI LTC3350 超级电容器的后备电源控制器

ADI LTC3350 是一款后备电源控制器，能够对一个含有 1 至 4 个超级电容器的串联堆栈进行充电和监视。通过独有的升压模式，可最大限度地提高有限功率并延长备份时间。下图 (图1)、（图2) 分别为 LTC3350 产品图和产品框图：

图1 LTC3350产品图

图2 LTC3350产品框图

ADI LTC3350 充/放电时的动作特点

LTC3350 在充/放电时的具体行为如下图 (图3) 所示：

图3 LTC3350 充/放电动作示意图

● 充电时：通过降压转换器为超级电容器充电

● 放电时：

当电源切断时，它由超级电容器供电。此时，有以下两个系统：

(a) 当 Vcap > Vout 时，直接导通 FET 供电：只要超级电容器电压 (Vcap) 高于输出电压 (Vout)，就可以继续供电。

(b) 当 Vcap < Vout 时，升压和供电：当超级电容器电压 (Vcap) 低于输出电压 (Vout) 时，它会自动切换到升压模式以保持所需的电压。

典型的备份控制器只有电路 (a)。由于电压不变，当超级电容器的电压下降时，受电设备所需的电压无法维持，电源停止。另一方面，当电压下降时，LTC3350 会自动切换到升压模式 [电路 (b)]，以保持所需的电压。以此通过延长备份时间，工程师可以充分利用充电的电量。下图 (图4) 展示了放电时，LTC3350 的工作状态：

(a) 当 Vcap > Vout 时，开启 FET；(b) 当 Vcap < Vout 时，进行升压。

图4 LTC3350 在放电时的工作状态

LTC3350 在放电时的优势在于，它是一款高电压同步整流转换器，因此具有下面两个优点：

高效率 (备份时间更长)

小型化 (只需一个转换器即可)

图5 LTC3350 在放电时的优势

03ADI LTC3350 的三大功能

一、电压平衡器功能

电压平衡器功能可根据多个超级电容器之间的充电变化进行调整。当连接的超级电容器之间的电压差超过 10mV 时，电阻平衡器放电并调整充电状态。这是电池管理系统中的常见功能，但在超级电容器控制器中并不常见，可以串联四个超级电容器的控制器本身很少见，这也是 LTC3350 的特点之一。如下图 (图6) 所示，当任一 SCAP 的电压差超过 10mV 时，将通过电阻平衡器进行放电，直至电压差降至 10mV 以内 (放电电流为10mA)。

图6 SCAP 的电压差超过 10mV 时，LTC3350 的工作状态

为什么需要精确的电压调节？

在使用多个超级电容器时，理想状态是所有电容器都能均匀充电，然而实际充电状态会出现不均匀现象。如果不检查变化，一些超级电容器将处于充电不足状态，从而导致备份时间缩短。为了延长备份时间，电压调节至关重要。

图7 超级电容器电压调节的重要性

电容器中存储的能量 E 由下列公式给出：

E = 1/2*C*V2

电压越高，要存储的能量就越大。降低电压具有延长电容器使用寿命的优点。另一方面，提前完成充电的超级电容器会因过充而导致寿命缩短。此外，超级电容器具有“如果在低于额定电压的电压下使用，可以延长其寿命”的特性。延长超级电容器的寿命，关键在于精确控制电压。

图8 超级电容器的寿命特性

使用电阻分压器的挑战

如果分压电阻较大，超级电容器的内部电阻就会占主导地位，导致电压均衡困难

如果分压器电阻较小，放电时会浪费电力，导致备份时间缩短

通过使用电压平衡器功能，可以避免上述问题，实现顺畅的电压调节。另一种方法是使用分压器电阻器来对齐每个 SCAP 的电压。实际的电阻分量 = R4 // R(variable) 。

如果 R4 大，R(variable) 占主导地位，每个电压未对齐

如果 R4 小，放电时浪费的功率会增加

图9 分压电阻法实现超级电容电压均衡的电路示意图

二、并联稳压器功能

并联稳压器功能是指，当超级电容器充电完成后，能够向充电不足的超级电容器提供最大 500mA 的旁路电流的功能。因为每个电容器的容量并不完全相同，因此在充电过程中，会出现充电速度快和充电速度慢的电容器。

图10 LTC3350 并联稳压器功能示意图

并联稳压器的优势

是什么让并联稳压器如此出色？超级电容器的容量和充电速度存在个体差异，充电完成的时间也各不相同。并联稳压器功能允许将充电速度较快的超级电容器中不再需要的电流直接传输到其他超级电容器。因此，即使超级电容器的充电水平不同，也可以在防止过度充电的同时快速调整平衡，这有助于整个系统的高效充电。分流电压可以以 183.5μV 的增量进行微调。并联稳压器功能有助于最大化延长备份时间、延长超级电容器寿命并缩短充电时间。

图11 锂电池组均衡充电过程示意图

三、监控功能

LTC3350内置 14 位 ADC，可精确监控超级电容器的电压和电流。此外，还提供内置温度传感器，可实时监控外围电路中的温度变化和分流电流引起的温度上升，如下图 (图12) 所示：

图12 内置温度传感器支持监控由于分流电流引起的升温

根据监测数据，可以测量电容和 ESR (等效串联电阻)：

容量测量：根据“准确放电电流” × “放电时间”计算

ESR 测量：根据反复打开和关闭充电的电压变化计算

这些数据存储在 LTC3350 中，并根据需要提供，同时还提供定期警报通知，工程师可轻松了解超级电容器的状态。

为什么需要监控功能？

超级电容器会随着使用而退化，导致电容降低和 ESR 增加，这将导致备份时间缩短。如果不采取措施，将无法保证最初设计的备份时间。下图 (图13) 显示了超级电容器的负载寿命测试的测量数据。可以看出，容量随着时间的推移而降低，ESR 增加。

图13 超级电容器的寿命特性

为了保持适当的备份时间，了解超级电容器的状况并在适当的时间更换非常重要。如果控制器没有监控功能，则需要一些额外的机制来实现这一目标。通过利用 LTC3350 的监控功能，可以实时掌握超级电容器的状态并适当地管理电容器寿命。

应用实例

数据中心瞬时停电和停电对策

半导体制造设备和工厂瞬时停电和停电对策

04总结

本文我们介绍了 ADI 超级电容器的后备控制器「LTC3350」。借助 LTC3350，可以解决控制超级电容器的挑战，例如最大限度地延长备份时间、管理超级电容器寿命和缩短充电时间。