一種高集成度微型超級(jí)電容后備電源模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)前，越來(lái)越多的超級(jí)電容器應(yīng)用于小功率短時(shí)后備電源，例如電力用Ⅰ/Ⅱ型集中器、故障指示器、汽車(chē)行車(chē)記錄儀、北斗導(dǎo)航控制器等等。然而，在實(shí)際使用過(guò)程中，很多隱性的問(wèn)題逐漸凸現(xiàn)，例如超級(jí)電容周邊PCB腐蝕、超級(jí)電容鼓底或提前失效等等，這些問(wèn)題給超級(jí)電容的應(yīng)用帶來(lái)不小的困擾。正是基于此，需要設(shè)計(jì)一款高集成度微型超級(jí)電容后備電源，一方面可以保證超級(jí)電容極其相關(guān)電路的獨(dú)立性；另一方面，有利于提升超級(jí)電容充放電管理電路的性能，避免不恰當(dāng)?shù)墓芾黼娐吩O(shè)計(jì)帶來(lái)的負(fù)面影響。

為解決現(xiàn)有分離式超級(jí)電容應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)要求：

（1）整體外形與超級(jí)電容自身結(jié)構(gòu)兼容。當(dāng)前市場(chǎng)上圓柱狀卷繞式超級(jí)電容占主導(dǎo)地位，為充分壓縮模塊超級(jí)電容后備電源模塊整體體積，且不顯著改變?cè)须娙莸姆庋b外形，結(jié)構(gòu)整體輪廓需與超級(jí)電容本體緊密結(jié)合與匹配。

（2）PCB板集成簡(jiǎn)易。超級(jí)電容后備電源模塊應(yīng)預(yù)留足夠的空間給充放電管理電路PCB使用，同時(shí)該空間位置應(yīng)方便PCB安裝，以最大限度減少PCB集成難度。

（3）超級(jí)電容后備電源模塊采取整體灌膠密封處理，為此，在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)內(nèi)部組件之間的配合，預(yù)留必要的膠液通道，這樣既可以保證灌膠的質(zhì)量，也可以保證灌膠的效率。

（4）精簡(jiǎn)加工工序。超級(jí)電容后備電源模塊內(nèi)部各組件應(yīng)可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快速安裝，以適應(yīng)后續(xù)批量化生產(chǎn)的要求。

2、電路設(shè)計(jì)

可見(jiàn)，超級(jí)電容后備電源模塊主要由充電管理單元M1、放電管理單元M2、超級(jí)電容模組SC1和不間斷控制單元L1四個(gè)部分構(gòu)成。其中，充電管理單元M1依據(jù)不同的充電時(shí)間要求，結(jié)合超級(jí)電容自身特性完成對(duì)超級(jí)電容模組SC1的充電；放電管理單元M2則根據(jù)不同的放電負(fù)載要求而進(jìn)行放電；不間斷控制單元L1則通過(guò)邏輯控制在輸入供電掉電時(shí)，將超級(jí)電容無(wú)縫切入，繼續(xù)給負(fù)載供電。

相比較而言，超級(jí)電容器的儲(chǔ)能密度低于常用鋰電池或鉛酸電池。正是基于此，在很多微小功率短時(shí)后備電源的場(chǎng)合，例如幾秒到幾十秒之內(nèi)后備供電時(shí)間，超級(jí)電容器是諸多儲(chǔ)能器件中較為理想的一種選擇。這主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

首先，超級(jí)電容器充放電管理比較簡(jiǎn)單。鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池等等電池，均需要嚴(yán)格的充放電管理電路，同時(shí)，充放電管理電路也較為復(fù)雜，充放電過(guò)程中，電壓、電流需按照電池特性進(jìn)行分階段控制，還要對(duì)電池工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警。對(duì)微小功率后備電源來(lái)說(shuō)，復(fù)雜的充放電管理電路，一方面會(huì)增加電路設(shè)計(jì)難度，另一方面也會(huì)導(dǎo)致模塊體積偏大，成本偏高。而選用超級(jí)電容器，其充放電電路可以極大簡(jiǎn)化，在體積和成本方面的優(yōu)勢(shì)尤其突出。

其次，超級(jí)電容器能量利用率高。當(dāng)前市面上的電池產(chǎn)品，小微容量產(chǎn)品極少，很難尋找到一款幾個(gè)或數(shù)十個(gè)mAh的成熟電池產(chǎn)品。若選用傳統(tǒng)電池來(lái)制作微小功率短時(shí)后備電源模塊，只能選擇較大容量的電池產(chǎn)品，無(wú)形之中構(gòu)成電池儲(chǔ)能的極大浪費(fèi)。電池的儲(chǔ)能如不及時(shí)利用，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)在內(nèi)部消耗，能量利用率極低。

再次，超級(jí)電容充電速度快。傳統(tǒng)電池要完成飽和充電，需要一個(gè)或幾個(gè)小時(shí)才可以完成，過(guò)快的充電速度會(huì)造成電池電芯內(nèi)部劇烈化學(xué)反應(yīng)，使電池內(nèi)芯溫度劇增，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生裂縫、爆炸、起火等危險(xiǎn)。超級(jí)電容器具備高功率密度，可以承受大電流快速充電，進(jìn)而極大縮減充電時(shí)間，在數(shù)秒或者數(shù)分鐘之內(nèi)即可儲(chǔ)存90%以上的能量。

還有，超級(jí)電容器組合簡(jiǎn)單靈活。當(dāng)前市場(chǎng)上主流超級(jí)電容器單體為柱狀引針式，類(lèi)似于常見(jiàn)的鋁電解電容，串并聯(lián)均比較靈活，簡(jiǎn)單組合即可構(gòu)成多種電壓和容量規(guī)格等級(jí)?？梢?jiàn)，超級(jí)電容特有的封裝形式，保證其組合的靈便性，這是傳統(tǒng)電池所無(wú)法企及的。

綜上，選擇超級(jí)電容器作為小微功率短時(shí)后備電源儲(chǔ)能器件。

1）充電管理單元設(shè)計(jì)

恒流限壓充電特性曲線

（2）放電管理單元設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際負(fù)載電壓需求，可選擇不同的升降壓方案來(lái)完成放電單元電路設(shè)計(jì)。放電管理單元電路具備如下幾個(gè)特性：

①超級(jí)電容模組漏電損耗極低。放電管理單元待機(jī)過(guò)程中，升降壓電路處于關(guān)斷狀態(tài)，即升降壓電路不工作。超級(jí)電容模組SCM1通過(guò)放電管理電路產(chǎn)生的漏電極小，相應(yīng)產(chǎn)生的漏電損耗也極低。

②放電單元開(kāi)關(guān)可控。除了上文描述的Vin掉電控制放電單元開(kāi)啟工作外，還可以通過(guò)在外部施加電平控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)SCM1的放電。在很多不需要超級(jí)電容模組立即放電的場(chǎng)合，可以通過(guò)外部施加信號(hào)CTRL編程，實(shí)現(xiàn)分時(shí)輸出電壓或者按某一特定頻率輸出電壓等等應(yīng)用，擴(kuò)展超級(jí)電容后備電源模塊功能。

（3）不間斷控制單元設(shè)計(jì)

（4）設(shè)計(jì)比較優(yōu)勢(shì)

綜合上述設(shè)計(jì)不難發(fā)現(xiàn)，該超級(jí)電容后備電源模塊具備如下幾個(gè)突出優(yōu)勢(shì)：

1）高集成度。將超級(jí)電容模組及其充放電管理電路合二為一，具備較高的集成度。使用該模塊可以簡(jiǎn)化超級(jí)電容終端用戶電路設(shè)計(jì)，免去終端用戶設(shè)計(jì)充放電管理電路的困擾，讓終端用戶產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、高效。

2）輸出靈活控制。模塊預(yù)留CTRL外部控制信號(hào)，終端用戶可以通過(guò)CTRL信號(hào)編程，實(shí)現(xiàn)所需的特定電壓輸出時(shí)序。當(dāng)終端用戶不使用CTRL信號(hào)時(shí)，模塊自動(dòng)默認(rèn)為不間斷后備電源模式。這無(wú)疑都極大地增加了終端用戶使用的靈活性。

3）寬輸入電壓。模塊內(nèi)置兩級(jí)降壓電路，可適應(yīng)寬范圍輸入電壓。即使輸入電壓出現(xiàn)大范圍波動(dòng)，模塊也可通過(guò)自身調(diào)整實(shí)現(xiàn)可靠充電。當(dāng)然，寬的輸入電壓范圍也能讓模塊兼容多個(gè)輸入電壓軌，增加其適用性。

4）環(huán)境適用性強(qiáng)。模塊整體采用灌膠密封處理，防水、防潮、防腐蝕，防護(hù)等級(jí)較高，可適用于各類(lèi)一般惡劣環(huán)境。

5）避免漏液風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前，長(zhǎng)期使用中“漏液”腐蝕PCB問(wèn)題已經(jīng)引起各大超級(jí)電容廠商和終端用戶的高度關(guān)注，經(jīng)過(guò)前期探索和試用，采用二次灌膠密封處理可以有效避免“漏液”問(wèn)題的發(fā)生，并得到大家的廣泛認(rèn)可。模塊正好可以解決這一行業(yè)難題，解除“漏液”腐蝕PCB困擾；

6）易安裝和維護(hù)。模塊自成一體，類(lèi)似與獨(dú)立電池系統(tǒng)。當(dāng)模塊發(fā)生故障時(shí)，直接更換即可，維護(hù)工作量較小。而采用分離式電路設(shè)計(jì)，一旦充放電管理電路出現(xiàn)故障，不得不更換整個(gè)終端產(chǎn)品，并仔細(xì)排查整個(gè)產(chǎn)品中每一個(gè)電路模塊，這顯然會(huì)增加維護(hù)成本，也加大了維護(hù)工作量。

3.設(shè)計(jì)比較優(yōu)勢(shì)

綜合上述設(shè)計(jì)不難發(fā)現(xiàn)，該超級(jí)電容后備電源模塊具備如下幾個(gè)突出優(yōu)勢(shì)：

1）高集成度。將超級(jí)電容模組及其充放電管理電路合二為一，具備較高的集成度。使用該模塊可以簡(jiǎn)化超級(jí)電容終端用戶電路設(shè)計(jì)，免去終端用戶設(shè)計(jì)充放電管理電路的困擾，讓終端用戶產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、高效。

2）輸出靈活控制。模塊預(yù)留CTRL外部控制信號(hào)，終端用戶可以通過(guò)CTRL信號(hào)編程，實(shí)現(xiàn)所需的特定電壓輸出時(shí)序。當(dāng)終端用戶不使用CTRL信號(hào)時(shí)，模塊自動(dòng)默認(rèn)為不間斷后備電源模式。這無(wú)疑都極大地增加了終端用戶使用的靈活性。

3）寬輸入電壓。模塊內(nèi)置兩級(jí)降壓電路，可適應(yīng)寬范圍輸入電壓。即使輸入電壓出現(xiàn)大范圍波動(dòng)，模塊也可通過(guò)自身調(diào)整實(shí)現(xiàn)可靠充電。當(dāng)然，寬的輸入電壓范圍也能讓模塊兼容多個(gè)輸入電壓軌，增加其適用性。

4）環(huán)境適用性強(qiáng)。模塊整體采用灌膠密封處理，防水、防潮、防腐蝕，防護(hù)等級(jí)較高，可適用于各類(lèi)一般惡劣環(huán)境。

5）避免漏液風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前，長(zhǎng)期使用中“漏液”腐蝕PCB問(wèn)題已經(jīng)引起各大超級(jí)電容廠商和終端用戶的高度關(guān)注，經(jīng)過(guò)前期探索和試用，采用二次灌膠密封處理可以有效避免“漏液”問(wèn)題的發(fā)生，并得到大家的廣泛認(rèn)可。模塊正好可以解決這一行業(yè)難題，解除“漏液”腐蝕PCB困擾；

6）易安裝和維護(hù)。模塊自成一體，類(lèi)似與獨(dú)立電池系統(tǒng)。當(dāng)模塊發(fā)生故障時(shí)，直接更換即可，維護(hù)工作量較小。而采用分離式電路設(shè)計(jì)，一旦充放電管理電路出現(xiàn)故障，不得不更換整個(gè)終端產(chǎn)品，并仔細(xì)排查整個(gè)產(chǎn)品中每一個(gè)電路模塊，這顯然會(huì)增加維護(hù)成本，也加大了維護(hù)工作量。