【導讀】備用電源解決方案之前僅限於任務關鍵型設備，但現在工業
、商業和消費類最終產品中廣泛的電子應用都需要備用電源。雖然有幾種選擇，但使用超級電容器可實現外形最緊湊、能量最密集的解決方案，作為市電中斷時的蓄能裝置。例如
，當市電中斷或更換電池時。

備用電源解決方案之前僅限於任務關鍵型設備，但現在工業、商業和消費類最終產品中廣泛的電子應用都需要備用電源。雖然有幾種選擇，但使用超級電容器可實現外形最緊湊
、能量最密集的解決方案
，作為市電中斷時的蓄能裝置。例如
，當市電中斷或更換電池時。

然而，超級電容器帶來了設計挑戰
，因為每個超級電容器最高隻能提供 2.7 V 的電壓。這可能意味著向 5 V 電(dian)源(yuan)軌(gui)提(ti)供(gong)穩(wen)壓(ya)電(dian)源(yuan)就(jiu)需(xu)要(yao)多(duo)個(ge)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)，且(qie)每(mei)個(ge)電(dian)容(rong)器(qi)都(dou)有(you)相(xiang)關(guan)的(de)電(dian)池(chi)平(ping)衡(heng)和(he)升(sheng)壓(ya)或(huo)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)。這(zhe)就(jiu)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)複(fu)雜(za)而(er)細(xi)微(wei)的(de)電(dian)路(lu)
，相(xiang)對(dui)昂(ang)貴(gui)且(qie)需(xu)要(yao)更(geng)多(duo)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)。

本ben文wen將jiang比bi較jiao電dian池chi和he超chao級ji電dian容rong器qi，解jie釋shi為wei什shen麼me後hou者zhe為wei緊jin湊cou型xing低di電dian壓ya電dian子zi應ying用yong帶dai來lai了le若ruo幹gan技ji術shu優you勢shi。本ben文wen隨sui後hou解jie釋shi如ru何he設she計ji一yi種zhong簡jian單dan而er巧qiao妙miao的de解jie決jue方fang案an
，隻zhi用yong一yi個ge電dian容rong器qi結jie合he一yi個ge可ke逆ni降jiang壓ya/升壓轉換器為 5 V 電源軌供電。

電池與超級電容器

現(xian)代(dai)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)是(shi)否(fou)能(neng)提(ti)供(gong)令(ling)人(ren)滿(man)意(yi)的(de)用(yong)戶(hu)體(ti)驗(yan)
，不(bu)間(jian)斷(duan)電(dian)源(yuan)已(yi)成(cheng)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)。如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)恒(heng)定(ding)電(dian)源(yuan)，電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)不(bu)僅(jin)會(hui)停(ting)止(zhi)工(gong)作(zuo)，而(er)且(qie)還(hai)可(ke)能(neng)丟(diu)失(shi)重(zhong)要(yao)信(xin)息(xi)。例(li)如(ru)，如(ru)果(guo)發(fa)生(sheng)停(ting)電(dian)，連(lian)接(jie)到(dao)市(shi)電(dian)的(de)個(ge)人(ren)電(dian)腦(nao)將(jiang)失(shi)去(qu)保(bao)存(cun)在(zai)其(qi)易(yi)失(shi)性(xing) RAM 中的數據。或者當胰島素泵在更換電池時，可能會丟失易失性存儲器中重要的血糖讀數。

防止這種情況發生的一種方法是采用備用電池
，首先用來蓄能
，然後在市電故障時釋放電能。鋰離子 (Li-ion) 電池是一項成熟的技術，其能量密度非常高
，可以相對較緊湊的電池體積實現長時間提供備用電源。

但dan無wu論lun其qi基ji本ben化hua學xue成cheng分fen如ru何he，所suo有you電dian池chi都dou有you各ge自zi的de顯xian著zhu特te征zheng，在zai某mou些xie情qing況kuang下xia可ke能neng會hui導dao致zhi問wen題ti。例li如ru

，電dian池chi都dou相xiang對dui較jiao重zhong，需xu要yao相xiang對dui較jiao長chang充chong電dian時shi間jian（如果經常停電，這可能就是問題），充電次數有限（會增加維護成本）以及所使用的化學品可能會危及安全和環境。

備用電源的另一種解決方案是采用超級電容器。超級電容器的學名為電雙層電容器 (EDLC)。這種器件由電化學性能穩定的、具有正負極的對稱碳電極構成。這些電極由絕緣離子滲透分離器隔開，這種分離器內置於充滿有機鹽/電dian解jie質zhi溶rong劑ji的de容rong器qi中zhong。電dian解jie液ye旨zhi在zai最zui大da限xian度du地di提ti高gao離li子zi導dao電dian性xing和he電dian極ji潤run濕shi性xing。高gao表biao麵mian積ji活huo性xing炭tan電dian極ji與yu極ji小xiao的de電dian荷he分fen離li相xiang結jie合he
，使shi得de超chao級ji電dian容rong器qi的de電dian容rong遠yuan遠yuan高gao於yu傳chuan統tong電dian容rong器qi（圖 1）。

圖 1：超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)使(shi)用(yong)對(dui)稱(cheng)的(de)正(zheng)負(fu)碳(tan)電(dian)極(ji)
，並(bing)通(tong)過(guo)浸(jin)泡(pao)在(zai)電(dian)解(jie)液(ye)中(zhong)的(de)絕(jue)緣(yuan)離(li)子(zi)滲(shen)透(tou)分(fen)離(li)器(qi)將(jiang)電(dian)極(ji)隔(ge)開(kai)。大(da)表(biao)麵(mian)積(ji)電(dian)極(ji)和(he)極(ji)小(xiao)的(de)電(dian)荷(he)分(fen)離(li)相(xiang)結(jie)合(he)導(dao)致(zhi)了(le)高(gao)電(dian)容(rong)。（圖片源：Maxwell Technologies）

電荷在電解液的可逆吸附作用下以靜電方式存儲到大表麵積碳電極上。在電極/電dian解jie液ye界jie麵mian的de極ji化hua作zuo用yong下xia發fa生sheng電dian荷he分fen離li，產chan生sheng同tong名ming雙shuang層ceng。這zhe種zhong機ji製zhi高gao度du可ke逆ni，使shi得de超chao級ji電dian容rong器qi能neng夠gou經jing受shou數shu十shi萬wan次ci充chong放fang電dian，盡jin管guan隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi，電dian容rong值zhi會hui出chu現xian一yi些xie減jian少shao。

youyuyikaojingdianjizhilaichucundianneng，chaojidianrongqidedianqixingnengbidianchigengkeyuce，erqiesuocaiyongdejiegoucailiaoshiqigengkekao，buyishouwendubianhuadeyingxiang。zaianquanfangmian

，chaojidianrongqizhongdehuifaxingcailiaobidianchishao
，bingqiekeyiwanquanfangdian
，shixiananquanyunshu。

超chao級ji電dian容rong器qi優you於yu二er次ci電dian池chi的de另ling一yi個ge方fang麵mian是shi充chong電dian速su度du更geng快kuai，且qie不bu會hui發fa生sheng過guo度du充chong電dian。因yin此ci，在zai首shou次ci故gu障zhang後hou不bu久jiu電dian源yuan再zai次ci消xiao失shi時shi，即ji可ke投tou入ru備bei用yong電dian源yuan。超chao級ji電dian容rong器qi還hai擁yong有you更geng多duo的de充chong電dian周zhou期qi
，從cong而er降jiang低di了le維wei護hu成cheng本ben。

此外，超級電容器具有比電池高得多的功率密度（用於衡量單位時間內可以存儲或輸送多少功率）。這不僅確保快速充電，而且還允許在需要時進行大電流猝發

，使得超級電容器能在更多的應用中用作備用電源（圖 2）。此外，超級電容器的有效串聯電阻 (ESR) 比電池低得多。這允許超級電容器能夠更有效地提供電源，而無過熱危險。超級電容器的功率轉換效率通常大於 98%。

圖 2：可充電電池可以在適當的電流下長期供電，但需要很長時間來充電。相反
，超級電容器以大電流快速放電
，也可快速充電。（圖片源：Maxwell Technologies）

與可充電電池相比，超級電容器的主要缺點是其能量密度相對較低（用於衡量每單位體積內存儲的電能）。當今鋰離子電池技術的蓄能是同體積超級電容器的 20 倍bei。隨sui著zhe采cai用yong新xin材cai料liao不bu斷duan地di對dui超chao級ji電dian容rong器qi進jin行xing改gai進jin，這zhe一yi差cha距ju正zheng在zai縮suo小xiao
，但dan這zhe可ke能neng在zai未wei來lai許xu多duo年nian內nei仍reng然ran很hen顯xian著zhu。超chao級ji電dian容rong器qi的de另ling一yi個ge顯xian著zhu的de缺que點dian是shi其qi成cheng本ben高gao於yu鋰li離li子zi電dian池chi。

超級電容器的設計注意事項

如果某種電子產品要依靠超級電容器作為備用電源，那麼設計者必須了解如何選擇最佳組件，以實現可靠的蓄能、輸送並延長使用壽命。

在zai數shu據ju表biao中zhong核he實shi溫wen度du對dui電dian容rong和he電dian阻zu的de影ying響xiang，這zhe是shi首shou要yao核he實shi事shi項xiang之zhi一yi。良liang好hao的de設she計ji做zuo法fa是shi
，選xuan擇ze一yi個ge能neng在zai終zhong端duan產chan品pin的de預yu期qi工gong作zuo溫wen度du範fan圍wei內nei變bian化hua很hen小xiao的de器qi件jian，且qie在zai需xu要yao備bei用yong電dian源yuan時shi
，能neng夠gou提ti供gong穩wen定ding的de電dian壓ya並bing有you效xiao地di輸shu送song電dian能neng。

超級電容器的壽命主要由工作電壓和溫度的綜合影響來決定（圖 3）。chaojidianrongqihenshaofashengzainanxingguzhang。xiangfan

，chaojidianrongqidedianrongheneizuhuisuizheshijiandetuiyierfashengbianhuabingzhujianjiangdixingneng，zhidaogaiyuanjianbunenggoumanzuzuizhongchanpindeguifanyaoqiu。xingnengxiajiangtongchangzaizuizhongchanpinshoumingdekaishijieduanbijiaoda，bingsuizhezuizhongchanpindelaohuaerzhujianjianshao。

圖 3：較高溫度和所施加的電壓會縮短超級電容器的壽命。（圖片來源：Elcap，CC0，通過 Wikimedia Commons，由作者修改）

dangyongzuobeiyongdianyuanshi，chaojidianrongqijiangchangqibaochizaigongzuodianyaxia
，zhihuiouerxuyaoshifangqichucundedianneng。zhezuizhonghuiyingxiangxingneng。shujubiaohuigeichuzaidianxinggongzuodianyahebutongwenduxia
，dianrongsuishijiandexiajiangqingkuang。liru，yigechaojidianrongqizai 25˚C 溫度下在 88,000 小時（10 年）內保持 2.5 V 的電壓，其電容可能減少 15%
，內阻增加 40%。在為使用壽命較長的最終產品設計備用電源時
，應考慮這種性能下降。

電容器的時間常數是指電容器達到滿充的 63.2% 或放電至滿充的 36.8% 時所需的時間。超級電容器的時間常數約為 1 miao
，zhebidianjiedianrongduandeduo。youyuzhegeshijianchangshuhenduan，shejizheyingquebaobeiyongdianyuanchaojidianrongqibuhuishoudaolianxuwenbodianliudeyingxiang
，fouzehuidaozhisunhuai。

超級電容器可以在 0 V 和he其qi最zui大da額e定ding容rong量liang之zhi間jian工gong作zuo。雖sui然ran在zai最zui寬kuan的de電dian壓ya範fan圍wei內nei工gong作zuo時shi，可ke以yi有you效xiao利li用yong超chao級ji電dian容rong器qi的de有you效xiao能neng量liang和he存cun儲chu的de電dian能neng


，但dan大da多duo數shu電dian子zi元yuan件jian都dou有you最zui低di電dian壓ya閾yu值zhi。這zhe種zhong最zui低di電dian壓ya要yao求qiu限xian製zhi了le可ke從cong電dian容rong器qi中zhong獲huo取qu的de電dian能neng。

例如
，儲存在電容器中的能量為 E = ½CV2。從這個關係中可以計算出，如果係統在電容器額定電壓的一半下運行（例如從 2.7 V 到 1.35 V），可以獲得大約 75% 的有效電能。

使用多個超級電容器時的設計挑戰

雖sui然ran超chao級ji電dian容rong器qi的de優you勢shi使shi其qi適shi合he為wei廣guang泛fan的de電dian子zi產chan品pin提ti供gong備bei用yong電dian源yuan
，但dan設she計ji者zhe必bi須xu警jing惕ti由you此ci帶dai來lai的de設she計ji挑tiao戰zhan。對dui於yu沒mei有you經jing驗yan的de工gong程cheng師shi來lai說shuo，實shi現xian備bei用yong電dian源yuan電dian路lu可ke能neng是shi一yi項xiang重zhong要yao的de工gong作zuo。關guan鍵jian複fu雜za性xing在zai於yu，商shang用yong超chao級ji電dian容rong器qi的de額e定ding電dian壓ya約yue為wei 2.7 V
，因此要向典型的 5 V 電源軌供電時，必須將兩個超級電容器串聯（圖 4）。

圖 4：商用超級電容器的額定電壓約為 2.7 V，因此要向典型的 5 V 電源軌供電時
，必須將兩個超級電容器串聯。（圖片源：Maxim Integrated）

雖然這個工作解決方案令人滿意，但由於需要進行主動或被動式電池平衡，因此會增大成本和複雜性。由於電容容差、不同的泄漏電流和不同的 ESR，lianggehuogengduomingyishangxiangtongqiemanchongdedianrongqidianyakenengbutong。zhezhongdianyabupinghenghuidaozhibeiyongdianluzhongdeyigechaojidianrongqitigongdedianyagaoyulingwaiyige。suizhewendudeshenggaohe/或超級電容器的老化，這種電壓不平衡會增加，會使一個超級電容器的電壓超過該設備的額定電壓閾值並影響運行壽命。

對dui於yu低di占zhan空kong比bi應ying用yong來lai說shuo，通tong常chang是shi在zai每mei節jie電dian池chi上shang並bing聯lian一yi個ge旁pang路lu電dian阻zu其qi來lai實shi現xian單dan節jie電dian池chi平ping衡heng。選xuan擇ze旁pang路lu電dian容rong器qi的de電dian阻zu值zhi時shi，應ying使shi得de任ren何he電dian流liu都dou會hui高gao於yu超chao級ji電dian容rong器qi的de泄xie漏lou電dian流liu。這zhe種zhong技ji術shu有you效xiao地di確que保bao了le超chao級ji電dian容rong器qi之zhi間jian的de等deng效xiao並bing聯lian電dian阻zu的de任ren何he變bian化hua都dou可ke以yi忽hu略lve不bu計ji。例li如ru，如ru果guo備bei用yong電dian路lu中zhong超chao級ji電dian容rong器qi的de平ping均jun泄xie漏lou電dian流liu為wei 10 μA，一個 1% 電阻器將允許 100 μA 的旁路電流，將平均泄漏電流提高到 110 μA。這樣，該電阻器能夠有效地將超級電容器之間的泄漏電流變化從百分之幾十降低到隻有百分之幾。

在zai所suo有you並bing聯lian電dian阻zu器qi匹pi配pei良liang好hao的de情qing況kuang下xia，任ren何he具ju有you較jiao高gao電dian壓ya的de超chao級ji電dian容rong器qi將jiang通tong過guo其qi並bing聯lian電dian阻zu，以yi高gao於yu較jiao低di電dian壓ya超chao級ji電dian容rong器qi的de速su度du放fang電dian。這zhe使shi得de總zong電dian壓ya均jun勻yun地di分fen配pei到dao全quan部bu串chuan聯lian的de超chao級ji電dian容rong器qi上shang。對dui於yu高gao負fu載zai應ying用yong
，需xu要yao進jin行xing更geng複fu雜za的de超chao級ji電dian容rong器qi平ping衡heng。

使用單個超級電容器實現 5 V 電源

如(ru)果(guo)隻(zhi)采(cai)用(yong)一(yi)個(ge)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)而(er)不(bu)是(shi)兩(liang)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)，那(na)麼(me)備(bei)用(yong)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)可(ke)能(neng)不(bu)會(hui)那(na)麼(me)複(fu)雜(za)，所(suo)需(xu)空(kong)間(jian)也(ye)更(geng)少(shao)。此(ci)類(lei)布(bu)局(ju)無(wu)需(xu)對(dui)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)進(jin)行(xing)平(ping)衡(heng)。然(ran)而(er)

，單(dan)個(ge)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de) 2.7 V 輸出需要通過升壓穩壓器來提高
，從而形成足夠的電壓來克服二極管壓降
，為係統提供 5 V 電壓。超級電容器通過充電裝置充電，需要時可通過升壓轉換器放電。二極管允許主電源或超級電容器為係統提供電源（圖 5）。

圖 5：在備用電源電路中使用單個超級電容器無需進行電池平衡
，但需要通過升壓穩壓器來提升超級電容器的輸出電壓。（圖片源：Maxim Integrated）

更巧妙的解決方案是使用單個電容器，並輔以專門的電壓轉換器，如 Maxim Integrated 的 MAX38888 或 MAX38889 可逆降壓升壓穩壓器。前者提供 2.5 V 至 5 V 和高達 2.5 A 的輸出，而後者提供 2.5 V 至 5.5
、3A 輸出（圖 6）。

圖 6：當用於超級電容器電源備用電路時，MAX38889（或 MAX38888）可逆穩壓器無需單獨的充電器、升壓器件及二極管。（圖片源：Maxim Integrated）

MAX38889 是(shi)一(yi)款(kuan)靈(ling)活(huo)的(de)儲(chu)能(neng)電(dian)容(rong)器(qi)或(huo)電(dian)容(rong)器(qi)組(zu)備(bei)用(yong)穩(wen)壓(ya)器(qi)，可(ke)在(zai)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)和(he)係(xi)統(tong)電(dian)源(yuan)軌(gui)之(zhi)間(jian)有(you)效(xiao)地(di)傳(chuan)輸(shu)電(dian)能(neng)。當(dang)市(shi)電(dian)存(cun)在(zai)且(qie)其(qi)電(dian)壓(ya)高(gao)於(yu)最(zui)低(di)閾(yu)值(zhi)係(xi)統(tong)的(de)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)時(shi)
，穩(wen)壓(ya)器(qi)在(zai)充(chong)電(dian)模(mo)式(shi)下(xia)工(gong)作(zuo)，並(bing)以(yi)最(zui)大(da) 3 A 峰值電流、1.5 A 平均電感電流為超級電容器充電。超級電容器在作為備用電源運行前需要達到滿充狀態。超級電容器在充電後，電路僅消耗 4 μA 電流，同時保持超級電容器處於就緒狀態。

當移除主電源時，穩壓器會在設定的最高可達 3 A dedianganfengzhidianliuxia，jiangchaojidianrongqidianyatishengdaosuoxudexitongdianya，yifangzhixitongxiajiangdaoshedingdexitongbeiyonggongzuodianyayixia。keniwenyaqikeyibaochiyunxing，zhizhichaojidianrongqidianyuandianyajinwei 0.5 V，從而最大限度地利用儲存的電能。

備用時間的長短取決於超級電容器的電能儲備和係統功耗。Maxim Integrated 產品的特點是可以通過單個 2.7 V 超級電容器獲得最大的備用電源，同時由於不需要單獨的充電器、升壓裝置以及二極管，因此減少了電路的元器件的數量。

結語

在zai如ru那na些xie需xu要yao頻pin繁fan更geng換huan電dian池chi的de具ju體ti應ying用yong中zhong，超chao級ji電dian容rong器qi相xiang比bi二er次ci電dian池chi具ju有you若ruo幹gan優you勢shi，可ke用yong作zuo備bei用yong電dian源yuan。與yu可ke充chong電dian電dian池chi相xiang比bi
，超chao級ji電dian容rong器qi充chong電dian速su度du更geng快kuai，可ke頻pin繁fan重zhong複fu使shi用yong且qie功gong率lv密mi度du更geng高gao。然ran而er，在zai尋xun求qiu支zhi持chi典dian型xing的de 5 V 電源時
，其最大 2.7 V 輸出帶來了一些設計挑戰。

如圖所示，可逆降壓/升壓穩壓器提供了一種巧妙的解決方案，它允許單個超級電容器支持 5 V 線路，同時最大限度地減少所需的空間和組件的數量。

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