中心議題：

• 介紹降低傳統電容尺寸的幾個可選方案
• 討論采用超級電容器所麵臨的新挑戰

解決方案：

• 采用超級電容
  ，必須限製浪湧電流
• 使用工業標準的限流“智能開關”，為超級電容充電
• 功率半導體製造商們開發出新型器件
  ，解決超級電容安全充電的所有問題

在(zai)一(yi)些(xie)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)係(xi)統(tong)或(huo)有(you)功(gong)率(lv)限(xian)製(zhi)的(de)端(duan)口(kou)設(she)計(ji)中(zhong)，可(ke)用(yong)平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)有(you)限(xian)，而(er)負(fu)載(zai)要(yao)求(qiu)較(jiao)高(gao)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)
，設(she)計(ji)師(shi)需(xu)要(yao)小(xiao)心(xin)應(ying)付(fu)
，確(que)保(bao)係(xi)統(tong)功(gong)率(lv)不(bu)要(yao)超(chao)過(guo)主(zhu)電(dian)源(yuan)的(de)容(rong)量(liang)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)，可(ke)用(yong)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)遠(yuan)小(xiao)於(yu)負(fu)載(zai)的(de)要(yao)求(qiu)。對(dui)於(yu)不(bu)斷(duan)增(zeng)長(chang)的(de)PC卡、CF
、PCI或USB格式無線數據卡尤其如此，這些數據卡廣泛用於GSM、GPRS
、TD-CDMA和WiMAX數據通信。

這些無線協議均采用TDMA技術，它在發射期間需要大的峰值電流。例如，GSM功率放大器發射時要求的峰值電流可以達到2A。在接收期間，電流小得多（約100mA）。這種大的範圍迫使設計師采用電容來“均化”從電源吸出的電流，即在不用時存儲能量，而在需要時釋放出峰值電流。

設計挑戰
傳統電容技術或者需要大的外形尺寸，或者要並聯多隻器件。為降低方案的尺寸，設計師一般會轉用大容值電容，或所謂的“超級”電容，它能以相對較小的尺寸提供大容值。然而，用超級電容也會帶來特殊的設計挑戰。

雖然超級電容較低的等效串連電阻（ESR）有(you)助(zhu)於(yu)支(zhi)持(chi)大(da)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)
，但(dan)卻(que)可(ke)能(neng)為(wei)充(chong)電(dian)帶(dai)來(lai)問(wen)題(ti)。在(zai)任(ren)何(he)係(xi)統(tong)中(zhong)
，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)初(chu)始(shi)時(shi)都(dou)是(shi)放(fang)完(wan)電(dian)的(de)狀(zhuang)態(tai)。當(dang)第(di)一(yi)次(ci)施(shi)加(jia)供(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)時(shi)，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)看(kan)來(lai)像(xiang)一(yi)隻(zhi)低(di)阻(zu)值(zhi)電(dian)阻(zu)。如(ru)果(guo)不(bu)加(jia)控(kong)製(zhi)或(huo)限(xian)製(zhi)，就(jiu)會(hui)帶(dai)來(lai)一(yi)個(ge)巨(ju)大(da)的(de)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)。顯(xian)然(ran)，隻(zhi)要(yao)設(she)計(ji)師(shi)采(cai)用(yong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)，就(jiu)必(bi)須(xu)限(xian)製(zhi)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)。

有幾種可選方案，最簡單的方法是使用一隻串聯電阻。在PC卡中，成功完成“主機/卡”協商之前可以吸入的最大電流為70mA。假設PC卡控製器需要一半電流來完成協商任務
，則在起動時，要麼必須將超級電容與電源斷開，要麼用一隻約100Ω的電阻作限流（R=V/I）。以這種速率，如果電容以約五倍恒流完全充電，則電容會在大約6.7分鍾內完全充好。

有一種更加可行的方案，即讓PC卡(ka)在(zai)完(wan)成(cheng)主(zhu)控(kong)與(yu)卡(ka)之(zhi)間(jian)的(de)協(xie)商(shang)以(yi)後(hou)
，再(zai)從(cong)電(dian)源(yuan)獲(huo)得(de)更(geng)多(duo)電(dian)能(neng)。然(ran)後(hou)就(jiu)可(ke)以(yi)用(yong)較(jiao)低(di)阻(zu)抗(kang)的(de)電(dian)阻(zu)增(zeng)加(jia)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)。開(kai)始(shi)時(shi)，電(dian)容(rong)的(de)電(dian)壓(ya)仍(reng)然(ran)為(wei)低(di)，電(dian)阻(zu)的(de)功(gong)耗(hao)非(fei)常(chang)大(da)。當(dang)電(dian)容(rong)開(kai)始(shi)充(chong)電(dian)，且(qie)電(dian)壓(ya)開(kai)始(shi)上(shang)升(sheng)時(shi)
，功(gong)耗(hao)減(jian)小(xiao)，可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)電(dian)阻(zu)值(zhi)。

圖1是一個電路實例
，它包括一串在電容充電周期內切換的遞減電阻值。開關點的時序可以定時（對要求非常精確、昂貴電阻的情況），也可以用各種附加的電壓檢測器監控。還有個問題，當電容完全充電
，且拔下PC卡時
，存儲在電容中的能量足以毀壞連接器的管腳。

智能開關
另外一種為超級電容充電的方式是使用工業標準的限流“智能開關”。這些所謂的智能開關（Smartswitch）采用一支集成的P溝道或N溝道MOSFET作(zuo)為(wei)負(fu)載(zai)開(kai)關(guan)，並(bing)附(fu)帶(dai)有(you)監(jian)控(kong)和(he)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)，對(dui)輸(shu)出(chu)限(xian)流(liu)。多(duo)數(shu)產(chan)品(pin)帶(dai)有(you)熱(re)過(guo)載(zai)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)，因(yin)此(ci)，如(ru)果(guo)在(zai)限(xian)流(liu)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，芯(xin)片(pian)溫(wen)度(du)超(chao)過(guo)其(qi)額(e)定(ding)最(zui)大(da)值(zhi)，則(ze)器(qi)件(jian)關(guan)斷(duan)。隨(sui)著(zhe)芯(xin)片(pian)的(de)冷(leng)卻(que)，器(qi)件(jian)會(hui)重(zhong)新(xin)導(dao)通(tong)，作(zuo)低(di)頻(pin)熱(re)振(zhen)蕩(dang)，直(zhi)到(dao)高(gao)耗(hao)能(neng)周(zhou)期(qi)結(jie)束(shu)為(wei)止(zhi)。

在(zai)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)應(ying)用(yong)中(zhong)

，智(zhi)能(neng)開(kai)關(guan)導(dao)通(tong)，並(bing)由(you)於(yu)大(da)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)而(er)立(li)即(ji)開(kai)始(shi)限(xian)流(liu)。這(zhe)種(zhong)大(da)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)很(hen)高(gao)的(de)溫(wen)升(sheng)，驅(qu)使(shi)器(qi)件(jian)進(jin)入(ru)熱(re)關(guan)斷(duan)，此(ci)時(shi)產(chan)生(sheng)前(qian)述(shu)的(de)熱(re)振(zhen)蕩(dang)。這(zhe)不(bu)算(suan)是(shi)問(wen)題(ti)，因(yin)為(wei)所(suo)有(you)限(xian)流(liu)智(zhi)能(neng)開(kai)關(guan)限(xian)製(zhi)都(dou)設(she)計(ji)為(wei)能(neng)承(cheng)受(shou)這(zhe)種(zhong)振(zhen)蕩(dang)。不(bu)過(guo)，當(dang)開(kai)關(guan)關(guan)閉(bi)期(qi)間(jian)

，電(dian)容(rong)不(bu)會(hui)充(chong)電(dian)
，因(yin)此(ci)增(zeng)加(jia)了(le)充(chong)滿(man)電(dian)的(de)時(shi)間(jian)。另(ling)外(wai)，由(you)於(yu)沒(mei)有(you)附(fu)加(jia)電(dian)路(lu)，無(wu)法(fa)檢(jian)測(ce)電(dian)容(rong)充(chong)滿(man)情(qing)況(kuang)，也(ye)無(wu)法(fa)告(gao)訴(su)係(xi)統(tong)已(yi)準(zhun)備(bei)好(hao)開(kai)始(shi)傳(chuan)輸(shu)。

最近，功率半導體製造商們開發出了一種新型器件，解決了在最短時間為超級電容安全充電的所有問題。這些高度集成的器件帶一個P溝道MOSFET負載開關，並集成有限流、保護PC卡連接器
、電容連續充電、係統準備就緒可以使用以及決定何時開始電容充電所需要的全部電路。這些功能被集成在一個12PIN的TSOPJW封裝內，器件占用的PCB板空間不到9mm2。

圖2為使用某種這類新型器件的一個應用。該器件有兩個外部可編程限流，可用於主機/卡ka協xie商shang期qi間jian提ti供gong不bu同tong的de限xian流liu能neng力li。在zai上shang電dian時shi
，器qi件jian在zai電dian源yuan和he超chao級ji電dian容rong之zhi間jian提ti供gong一yi個ge低di阻zu路lu徑jing。如ru果guo熱re耗hao散san低di，器qi件jian將jiang最zui終zhong進jin入ru限xian流liu狀zhuang態tai
，且qie超chao級ji電dian容rong將jiang繼ji續xu充chong電dian，直zhi至zhi達da到dao約yue98%的最終值。在這個點上，係統準備好（system ready）信號將改變狀態，告知係統可以開始傳輸。

如ru果guo熱re耗hao散san高gao，則ze芯xin片pian溫wen度du將jiang快kuai速su上shang升sheng。當dang溫wen度du升sheng至zhi內nei部bu設she置zhi的de極ji限xian值zhi時shi，器qi件jian會hui起qi動dong一yi個ge內nei部bu數shu字zi電dian源yuan循xun環huan，將jiang電dian流liu降jiang至zhi某mou個ge安an全quan值zhi。電dian源yuan循xun環huan會hui以yi固gu定ding周zhou期qi探tan測ce片pian芯xin的de溫wen度du，以yi限xian流liu設she置zhi點dian1/32為步長增、減電流，將片芯溫度調整到大約100°C。這個功能確保超級電容所有時候都在充電，在保護器件的同時減少充電時間。

在(zai)多(duo)數(shu)應(ying)用(yong)中(zhong)，通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)大(da)小(xiao)來(lai)減(jian)少(shao)傳(chuan)輸(shu)中(zhong)的(de)電(dian)壓(ya)降(jiang)，並(bing)在(zai)接(jie)收(shou)期(qi)間(jian)允(yun)許(xu)充(chong)電(dian)。通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)可(ke)調(tiao)遲(chi)滯(zhi)

，該(gai)器(qi)件(jian)使(shi)用(yong)戶(hu)能(neng)夠(gou)設(she)定(ding)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)充(chong)滿(man)的(de)關(guan)鍵(jian)點(dian)。它(ta)可(ke)以(yi)設(she)定(ding)為(wei)從(cong)低(di)於(yu)滿(man)充(chong)200mV到零之間的任何值。

過guo去qu
，便bian攜xie係xi統tong中zhong的de超chao級ji電dian容rong隻zhi限xian於yu備bei份fen或huo等deng待dai應ying用yong，電dian流liu小xiao，充chong電dian時shi間jian一yi般ban很hen長chang。隨sui著zhe越yue來lai越yue多duo數shu據ju卡ka用yong於yu便bian攜xie式shi應ying用yong
，設she計ji師shi必bi須xu特te別bie仔zai細xi地di確que保bao充chong電dian時shi間jian為wei最zui短duan，而er係xi統tong解jie決jue方fang案an仍reng保bao持chi小xiao體ti積ji。新xin一yi代dai智zhi能neng開kai關guan集ji成cheng了le限xian流liu、保護PC卡連接器

、超chao級ji電dian容rong連lian續xu充chong電dian和he告gao知zhi係xi統tong電dian容rong已yi完wan備bei等deng功gong能neng所suo需xu全quan部bu電dian路lu，為wei開kai發fa人ren員yuan提ti供gong了le開kai發fa一yi種zhong完wan整zheng解jie決jue方fang案an，同tong時shi減jian少shao元yuan件jian數shu並bing大da幅fu度du縮suo小xiao係xi統tong體ti積ji。

作者介紹
Phil Dewsbury是Advanced Analogic Technologies Inc. (AnalogicTech)係列產品總監。他在業界有28年多的經曆，曾在多家功率管理半導體公司擔任高級職位。