新手收藏：一个超简单的方法构建超级电容平衡电路
超级电容器的使用越来越普遍了，因为它们可以与其他电池同时使用，或作为电池的替代品用于需要很多快速充放电周期的应用之中。超级电容器通常应用于短期能量存储、再生制动、静止的随机存储器备份之中。
为什么需要平衡电路
但是，在设计中，超级电容器的运行电压常常达到2.5–2.7伏时，多数应用会使用一系列串联的装置来获得更高的电压，而要平衡一个超级电容器涉及的远远不止连接几根电线而已。
另外，许多超级电容器都会产生漏电电流，该电流会根据多种因素而出现变化，其中包括：
● 初始泄漏值
● 泄漏值随充电电压、充电电流和温度的变化而变化
● 运行温度的范围
● 化学、材料和结构
为了防止这种失衡，需要一个平衡电路，这个平衡电路通过自动修正漏电电流不断变化所产生的效应，让经过每个超级电容器的电压均处于限定范围之内。而所有这些都只需最少的额外漏电电流或功耗。
但对于模块设计师而言，这代表了复杂性又加深了一层。一个简单的基于电阻的设计不但浪费电能，而且对老化和温度变化没有反应；基于运算放大器的设计性能更好，但十分复杂，且会浪费电量，还会占用过多的电路板空间。开发一个解决方案也需要有关布局的专业知识和模拟或电源设计技能；而最后的结果可能是更长的开发时间，或甚至可能使问题变得更糟，同时还增加了额外的泄漏。
怎么办？工程师如何事半功倍地构建这个平衡电路呢？
下面这个方法超级简单，利用一种全新的印刷电路板，即插即用构建平衡电路，仔细看啦！
新一代印刷电路板概览
这种印刷电路板通过为各种尺寸的超级电容器整合完成这些任务所需要的全部线路，提供了一个“即插即用”的解决方案。图1显示了电路板，这块电路板的设计初衷是为了和精益金属-氧化物-半导体型场效应管（MOSFET）系列结合使用。
每块电路板仅占据0.6 x 1.6英寸的尺寸，但满载电路板可以平衡多达4个串联在一起的超级电容器；除了未插入设备的电路板，插入设备的电路板可以和不同的MOSFET进行组合来达到所要求的电压。对更大的阵列而言，任意数量的电路板均可以串联起来，但仅可以达到每块电路板的最大电压15伏。
图1 4个超级电容器和外部元件
电路板可以容纳0.1法拉到3000法拉及以上的超级电容器，而因为使用电路板而造成的额外的平均电量分散则为零，这使这个平衡超级电容器的方法成为高能效的方法。该法特别适合于低损耗能源采集和以电池驱动的长生命周期的应用。
图2是关于使用4个C1–C4超级电容器的电路板的原理图。MOSFET由一组4个相同的集成电路片组成，这些电路板含有2个相同配置的装置。根据挑选的不同的电路板，每个超级电容器可以安装一个单一的MOSFET，或由其并联的两个装置。将两个装置并联起来可产生一个等效MOSFET，这个MOSFET能产生两倍的输出电流，对电压变化的敏感度也提升一倍。
图2 搭载三个MOSFET阵列的满载电路板原理图。这样的设计确保了每个超级电容器的电压（如VA-VB）不超过所允许的最大值。
两个编号中的“XX”表示在25度1微安情况下的漏电电流相对应的MOSFET的电压，我们在下一节将讨论该部分内容。
每个MOSFET都通过二极管反向偏置时的电流来评定，而这个电流最大可达80毫安。因超级电容器电压发生变化而引起的反向偏置状态，特别是在超级电容器快速放电时，会导致内部的一些节点成为反向偏置状态，从而使其浪涌电流超过上述限制。
电路板配有TO277贴片来增加外部肖特基整流器（功率二极管），以便限制住这些电流暂态。
也可以将一个可选电阻器连接至每一对超级电容器。一般情况下，超级电容器都处于开放状态，但是，如果超级电容器的位置未插入设备，其相应位置应安装一个零欧姆跳线电阻器。
电路工作原理
电路如何自动调整漏电使之达到平衡呢？可将一个MOSFET视作一个运行范围有限的三端压控型电阻器，并让通态电阻作为输入电压VGS的指数函数。当栅级和漏级相连时，VDS等效于VGS，但被称为阈值电压Vt。图3显示了四路MOSFET阵列的数据。
图3 相对于输入电压的贴片通态电阻
ALD编号中的“XX”表示阈值电压Vt，该电压在25度的情况下能产生1微安的输出电流IOUT。比如，ALD810025四路阵列的阈值电压Vt为2.5伏，所以在25度和2.5伏电压的情况下，IOUT=1微安。这相当于漏源通态电阻为2.5兆欧。表1表示随Vt变化而变化的IOUT。
表1：25度时，在输入电压与输出电流不同的条件下，ALD810025的等效通态电阻。
一个MOSFET与超级电容器相连时，Vt和RDS(ON)之间的指数关系表示为，一个超级电容器的漏电电流所引起的另一个超级电容器电压的小幅增加都会造成MOSFET的漏源通态电阻的大幅增加。这将提高漏源电流并降低电压。随着电压的降低，漏源电流也将开始下跌。
根据所选的PCB电路板编号，每个超级电容器可以配备一个MOSFET或MOSFET中两个并联的装置。将两个装置并联相当于产生一个等效MOSFET，而这个MOSFET能产生两倍的输出电流，且对电压变化的敏感度也提升一倍。
漏电电流平衡机制采取完全自动的工作方式，可与不同的漏电电流剖面一起为超级电容器阵列服务。在配有许多超级电容器系列的堆叠中，MOSFET多阵列可发挥作用，平衡多种漏电电流。
比如，如果在图2的四电容器阵列中，漏电电流IC1大于IC2，那么（U1和U2中）的两个M1会关闭，M2就会成为有源电路元件来平衡C1，即漏电电流最大的超级电容器。
在没有自动平衡的电路条件下，C2的电压会持续上升，直到破坏这一部分。MOSFET平衡解决方案几乎没有产生任何额外的电流漏极。它根据温度、时间和环境的其他变化而调整，而上述这些因素则会导致失衡。
（本文摘自《今日电子》杂志，作者： Advanced Linear Devices公司ROBERT CHAO）
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