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超级电容器电源子系统让您的电池养精蓄锐

导读: 如今手机具备越来越丰富的功能,耗电量也随之增加。两三年前流行的VGA成像器目前正在被具备320万像素且配备更高电流LED闪光灯的成像器取代(有些甚至高达800万像素);可进行多媒体录音的高电耗立体声驱动器,正逐渐取代低电耗单声道音频驱动器。

  如今手机具备越来越丰富的功能,耗电量也随之增加。两三年前流行的VGA成像器目前正在被具备320万像素且配备更高电流LED闪光灯的成像器取代(有些甚至高达800万像素);可进行多媒体录音的高电耗立体声驱动器,正逐渐取代低电耗单声道音频驱动器。随着3G网络的普及,无线数据传输呈指数增长,这就需要手机中配备更多的射频功放来处理语音呼叫和数据流。遗憾的是,这些功能在使用时都会消耗大量的电池电流(1A+)。如果同时使用这些功能,就会导致电池电流的经常性故障,或者出现手机故障关机现象。

  针对峰值电池电流出现的问题,其解决方案包括谨慎管理脉冲计时以及减少对整体性能的要求(例如限制闪光灯电流或音量大小)。但是,这两种解决方案都限制了手机性能的延展,因此并不被提倡。另外还有一种方法可供选择,那就是创建一个基于超级电容器的电源子系统,而且超级电容器管理芯片能够帮助应用程序完全复原。

  目前系统面临的问题

  针对锂离子电池的电流限值(约为2A-3A),设计者必须谨慎管理系统中不同负载的电流需求分配,避免出现过电流现象。此外,当电池电压降低并接近系统阻断电压时,与电池ESR相连的强电流脉冲会导致系统故障关机。

  举例来说,如果在进行LED闪光操作的同时进行GSM传输,那么脉冲电流的总需求量很容易超过3A(GSM传输为2A,LED闪光操作为1.5A)。

  为了防止发生过电流现象,许多手机设计要么采用降低额定值的闪光电流,从而将输入电流水平降低到可控水平;要么在闪光灯LED驱动器芯片中采用传输中断引脚。传输中断信号会在射频功放和闪光灯驱动器之间提供一种同步机制。当射频功放在闪光操作期间进行传输时,闪光中断将启动,从而使闪光电流降低或完全关闭。这一功能可防止电池过载。如果采用滚动快门,那么拍出的照片会出现暗线或暗部。如此看来,两种方法都会造成照片质量下降。

  图1显示了大量脉冲负载施加到电池上产生的影响,着重显示了电池ESR压降以及总脉冲电池电流的量级。假设现在有一块100mΩ的电池ESR,负载包括1.2A的LED闪光脉冲、2A的GSM传输脉冲和立体声D类放大器供电,那么峰值脉冲电流可能会超过4A,并造成电池组电压瞬间降低400mV。

  

  图1: 大量脉冲负载施加到电池上产生的影响。

  为了避免产生这种压降,必须降低闪光电流和音频功率,从而将峰值电流降低到系统可以承受的范围内,此外也可采用增加电池容量的方法。而添加一个超级电容器,可以在无需增加电池容量的情况下有效提高电池的脉冲电流处理能力,同时还可协助系统实现全部功能。

  什么是超级电容器?

  超级电容器的准确名称,是电化学或电双电层电容器(具体名称取决于制造商),简称EDLC。超级电容器的表现与传统电容器(包括多层陶瓷电容器、钽电容器、电解电容器等)相似,但能量密度更高。这是由具有极大的电荷存储表面积的多孔炭电极与专门的电解质提供的极薄的板分离层相结合而形成的。

  EDLC的电容值不适合置于超薄便携系统(应用于氙气闪光灯的电解电容器的典型厚度为6mm以上,与之相比,EDLC的典型厚度约为2mm-3mm)。对最大额定电压为2.75V-2.85V的单元电容器而言,EDLC的电容值可以达到180mF-1.8F。本文将重点讨论额定电压为5.5V-5.7V(两个单元EDLC串联)以及电容值为425mF-550mF的双单元 EDLC。

  在何处放置超级电容器?

  在便携系统中使用大电容具有很多优势。超级电容器所在的位置会对电池供电电流产生显著影响。

  如果将超级电容器与系统电池并排放置,那么在LED闪光驱动器或射频传输吸收大电流时,超级电容将有助于降低电池的峰值电流。超级电容器和电池提供的电流量与其ESR值成反比。较低的ESR(这种情况下电池和超级电容器互相组合)会产生较大的电流。超级电容器的ESR值可以低至50mΩ,而典型的锂离子电池的ESR值为200mΩ-300mΩ。图2的一组公式显示了来自电池的初始电流和来自超级电容器的电流之间的比较。

  

  图2

  随着负载脉冲的持续增加,超级电容器的放电会使来自超级电容器的电流减少,同时使来自电池的电流增加。

  采用并联超级电容器确实有助于防止故障关机,但是这种配置也存在一些问题。为了避免损坏电池,应在电池与超级电容器之间布置某些形式的限流电路。当超级电容器完全放电之后,会呈现出对地短路,并将从电池中吸收尽可能多的电流。

  

  图3: 共享负载可以最大限度地减少脉冲负载造成的电池ESR值的降低,从而有可能扩展电池的可用范围。

  限流电路的构建非常简单,例如,可以通过添加串联电阻来防止峰值电流低于电池允许的最大值,这样做行的通,但是较大的RC时间常数会降低系统的整体效率,并影响电容器的充电时间。另一种限流电路,是将一个限流线性电压调节器(LDO)置于超级电容器和电池之间,从而为超级电容器充电,并控制峰值电池电流。使用LDO时,由于其无法提升电池电压,因此超级电容器的目标电压必须始终低于电池电压。第三种选择(见后文)是在电池和超级电容器之间采用某些升压变换器,形成固定的电压轨,从而对超级电容器进行再充电,并满足超级电容器系统的平均电流要求。

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