在电子工程领域，许多工程师在采用超级电容作为瞬停或停电备份方案时，常常会面临一系列控制难题，例如 “如何高效管理超级电容” 以及 “设计时需注意哪些关键点” 等。本文将深入探讨超级电容器在应用中的挑战，并详细介绍 ADI 的大电流超级电容器后备电源控制器「LTC3350」的三大优势。

超级电容器的应用和挑战

超级电容器在工厂和数据中心的瞬停备份电源方面有着广泛的应用。它具有充电速度比电池快、并且能释放大量能量的显著优势。然而，由于其能量密度较低，并不适合长期供电，作为备用电源，它更适用于几秒到几十秒的供电场景。以下是主要储能元件的对比（表 1）：

表 1 主要储能元件对比表

超级电容器在控制方面面临着诸多挑战：

• 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，这对于数据中心等关键应用尤为重要。
• 延长超级电容器的寿命：由于超级电容器的寿命会因使用条件而异，因此适当的控制和管理至关重要。
• 减少充电时间：以便始终提供备用电源，确保系统在停电时能够迅速启动。

ADI 的后备电源控制器 LTC3350 可以有效解决这些问题，并充分发挥超级电容器的优势。接下来，我们将详细介绍它的功能和特点。

ADI LTC3350 超级电容器的后备电源控制器

ADI LTC3350 是一款功能强大的后备电源控制器，它能够对一个含有 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，可限度地提高有限功率并延长备份时间。以下分别是 LTC3350 的产品图（图 1）和产品框图（图 2）：

LTC3350 在充 / 放电时具有独特的动作特点，具体行为如图 3 所示：

• 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：
  • 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。
  • 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。而 LTC3350 在电压下降时会自动切换到升压模式 [电路（b）]，以保持所需的电压。通过这种方式延长备份时间，工程师可以充分利用充电的电量。图 4 展示了放电时 LTC3350 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，因此具有以下两个优点：

• 高效率（备份时间更长）：能够更有效地利用超级电容器的能量，延长备份时间。
• 小型化（只需一个转换器即可）：减少了电路的复杂度和体积。

ADI LTC3350 的三大功能

1. 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也很少见，这也是 LTC3350 的特点之一。如图 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

为什么需要的电压调节呢？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，但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。

电容器中存储的能量 E 由下列公式给出：E = 1/2CV2，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，关键在于控制电压。

使用电阻分压器存在一些挑战：

• 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。

2. 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 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

并联稳压器的优势在于，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化延长备份时间、延长超级电容器寿命并缩短充电时间。

3. 监控功能
   LTC3350 内置 14 位 ADC，可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呢？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，将无法保证初设计的备份时间。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。

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：在数据中心中，LTC3350 可以确保在停电时为关键设备提供短时间的备用电源，防止数据丢失。
• 半导体制造设备和工厂瞬时停电和停电对策：在半导体制造等对电源稳定性要求极高的行业，LTC3350 可以保障设备在停电瞬间的正常运行，减少损失。