如何使用单个超级电容器作为 5 V 电源的备用电源

作者：Steven Keeping

备用电源解决方案之前仅限于任务关键型设备，但现在工业、商业和消费类最终产品中广泛的电子应用都需要备用电源。虽然有几种选择，但使用超级电容器可实现外形最紧凑、能量最密集的解决方案，作为市电中断时的蓄能装置。例如，当市电中断或更换电池时。

然而，超级电容器带来了设计挑战，因为每个超级电容器最高只能提供 2.7 V 的电压。这可能意味着向 5 V 电源轨提供稳压电源就需要多个超级电容器，且每个电容器都有相关的电池平衡和升压或降压转换器。这就形成一个复杂而细微的电路，相对昂贵且需要更多的电路板空间。

本文将比较电池和超级电容器，解释为什么后者为紧凑型低电压电子应用带来了若干技术优势。本文随后解释如何设计一种简单而巧妙的解决方案，只用一个电容器结合一个可逆降压/升压转换器为 5 V 电源轨供电。

电池与超级电容器

现代电子设备是否能提供令人满意的用户体验，不间断电源已成一个关键因素。如果没有恒定电源，电子产品不仅会停止工作，而且还可能丢失重要信息。例如，如果发生停电，连接到市电的个人电脑将失去保存在其易失性 RAM 中的数据。或者当胰岛素泵在更换电池时，可能会丢失易失性存储器中重要的血糖读数。

防止这种情况发生的一种方法是采用备用电池，首先用来蓄能，然后在市电故障时释放电能。锂离子 (Li-ion) 电池是一项成熟的技术，其能量密度非常高，可以相对较紧凑的电池体积实现长时间提供备用电源。

但无论其基本化学成分如何，所有电池都有各自的显著特征，在某些情况下可能会导致问题。例如，电池都相对较重，需要相对较长充电时间（如果经常停电，这可能就是问题），充电次数有限（会增加维护成本）以及所使用的化学品可能会危及安全和环境。

备用电源的另一种解决方案是采用超级电容器。超级电容器的学名为电双层电容器 (EDLC)。这种器件由电化学性能稳定的、具有正负极的对称碳电极构成。这些电极由绝缘离子渗透分离器隔开，这种分离器内置于充满有机盐/电解质溶剂的容器中。电解液旨在最大限度地提高离子导电性和电极润湿性。高表面积活性炭电极与极小的电荷分离相结合，使得超级电容器的电容远远高于传统电容器（图 1）。

图 1：超级电容器使用对称的正负碳电极，并通过浸泡在电解液中的绝缘离子渗透分离器将电极隔开。大表面积电极和极小的电荷分离相结合导致了高电容。（图片源：Maxwell Technologies）

电荷在电解液的可逆吸附作用下以静电方式存储到大表面积碳电极上。在电极/电解液界面的极化作用下发生电荷分离，产生同名双层。这种机制高度可逆，使得超级电容器能够经受数十万次充放电，尽管随着时间的推移，电容值会出现一些减少。

由于依靠静电机制来储存电能，超级电容器的电气性能比电池更可预测，而且所采用的结构材料使其更可靠，不易受温度变化的影响。在安全方面，超级电容器中的挥发性材料比电池少，并且可以完全放电，实现安全运输。

超级电容器优于二次电池的另一个方面是充电速度更快，且不会发生过度充电。因此，在首次故障后不久电源再次消失时，即可投入备用电源。超级电容器还拥有更多的充电周期，从而降低了维护成本。

此外，超级电容器具有比电池高得多的功率密度（用于衡量单位时间内可以存储或输送多少功率）。这不仅确保快速充电，而且还允许在需要时进行大电流猝发，使得超级电容器能在更多的应用中用作备用电源（图 2）。此外，超级电容器的有效串联电阻 (ESR) 比电池低得多。这允许超级电容器能够更有效地提供电源，而无过热危险。超级电容器的功率转换效率通常大于 98%。

图 2：可充电电池可以在适当的电流下长期供电，但需要很长时间来充电。相反，超级电容器以大电流快速放电，也可快速充电。（图片源：Maxwell Technologies）

与可充电电池相比，超级电容器的主要缺点是其能量密度相对较低（用于衡量每单位体积内存储的电能）。当今锂离子电池技术的蓄能是同体积超级电容器的 20 倍。随着采用新材料不断地对超级电容器进行改进，这一差距正在缩小，但这可能在未来许多年内仍然很显著。超级电容器的另一个显著的缺点是其成本高于锂离子电池。

超级电容器的设计注意事项

如果某种电子产品要依靠超级电容器作为备用电源，那么设计者必须了解如何选择最佳组件，以实现可靠的蓄能、输送并延长使用寿命。

在数据表中核实温度对电容和电阻的影响，这是首要核实事项之一。良好的设计做法是，选择一个能在终端产品的预期工作温度范围内变化很小的器件，且在需要备用电源时，能够提供稳定的电压并有效地输送电能。

超级电容器的寿命主要由工作电压和温度的综合影响来决定（图 3）。超级电容器很少发生灾难性故障。相反，超级电容器的电容和内阻会随着时间的推移而发生变化并逐渐降低性能，直到该元件不能够满足最终产品的规范要求。性能下降通常在最终产品寿命的开始阶段比较大，并随着最终产品的老化而逐渐减少。

图 3：较高温度和所施加的电压会缩短超级电容器的寿命。（图片来源：Elcap，CC0，通过 Wikimedia Commons，由作者修改）

当用作备用电源时，超级电容器将长期保持在工作电压下，只会偶尔需要释放其储存的电能。这最终会影响性能。数据表会给出在典型工作电压和不同温度下，电容随时间的下降情况。例如，一个超级电容器在 25˚C 温度下在 88,000 小时（10 年）内保持 2.5 V 的电压，其电容可能减少 15%，内阻增加 40%。在为使用寿命较长的最终产品设计备用电源时，应考虑这种性能下降。

电容器的时间常数是指电容器达到满充的 63.2% 或放电至满充的 36.8% 时所需的时间。超级电容器的时间常数约为 1 秒，这比电解电容短得多。由于这个时间常数很短，设计者应确保备用电源超级电容器不会受到连续纹波电流的影响，否则会导致损坏。

超级电容器可以在 0 V 和其最大额定容量之间工作。虽然在最宽的电压范围内工作时，可以有效利用超级电容器的有效能量和存储的电能，但大多数电子元件都有最低电压阈值。这种最低电压要求限制了可从电容器中获取的电能。

例如，储存在电容器中的能量为 E = ½CV2。从这个关系中可以计算出，如果系统在电容器额定电压的一半下运行（例如从 2.7 V 到 1.35 V），可以获得大约 75% 的有效电能。

使用多个超级电容器时的设计挑战

虽然超级电容器的优势使其适合为广泛的电子产品提供备用电源，但设计者必须警惕由此带来的设计挑战。对于没有经验的工程师来说，实现备用电源电路可能是一项重要的工作。关键复杂性在于，商用超级电容器的额定电压约为 2.7 V，因此要向典型的 5 V 电源轨供电时，必须将两个超级电容器串联（图 4）。

图 4：商用超级电容器的额定电压约为 2.7 V，因此要向典型的 5 V 电源轨供电时，必须将两个超级电容器串联。（图片源：Maxim Integrated）

虽然这个工作解决方案令人满意，但由于需要进行主动或被动式电池平衡，因此会增大成本和复杂性。由于电容容差、不同的泄漏电流和不同的 ESR，两个或更多名义上相同且满充的电容器电压可能不同。这种电压不平衡会导致备用电路中的一个超级电容器提供的电压高于另外一个。随着温度的升高和/或超级电容器的老化，这种电压不平衡会增加，会使一个超级电容器的电压超过该设备的额定电压阈值并影响运行寿命。

对于低占空比应用来说，通常是在每节电池上并联一个旁路电阻其来实现单节电池平衡。选择旁路电容器的电阻值时，应使得任何电流都会高于超级电容器的泄漏电流。这种技术有效地确保了超级电容器之间的等效并联电阻的任何变化都可以忽略不计。例如，如果备用电路中超级电容器的平均泄漏电流为 10 μA，一个 1% 电阻器将允许 100 μA 的旁路电流，将平均泄漏电流提高到 110 μA。这样，该电阻器能够有效地将超级电容器之间的泄漏电流变化从百分之几十降低到只有百分之几。

在所有并联电阻器匹配良好的情况下，任何具有较高电压的超级电容器将通过其并联电阻，以高于较低电压超级电容器的速度放电。这使得总电压均匀地分配到全部串联的超级电容器上。对于高负载应用，需要进行更复杂的超级电容器平衡。

使用单个超级电容器实现 5 V 电源

如果只采用一个超级电容器而不是两个或多个，那么备用电源电路可能不会那么复杂，所需空间也更少。此类布局无需对超级电容器进行平衡。然而，单个超级电容器的 2.7 V 输出需要通过升压稳压器来提高，从而形成足够的电压来克服二极管压降，为系统提供 5 V 电压。超级电容器通过充电装置充电，需要时可通过升压转换器放电。二极管允许主电源或超级电容器为系统提供电源（图 5）。

图 5：在备用电源电路中使用单个超级电容器无需进行电池平衡，但需要通过升压稳压器来提升超级电容器的输出电压。（图片源：Maxim Integrated）

更巧妙的解决方案是使用单个电容器，并辅以专门的电压转换器，如 Maxim Integrated 的 MAX38888 或 MAX38889 可逆降压升压稳压器。前者提供 2.5 V 至 5 V 和高达 2.5 A 的输出，而后者提供 2.5 V 至 5.5、3A 输出（图 6）。

图 6：当用于超级电容器电源备用电路时，MAX38889（或 MAX38888）可逆稳压器无需单独的充电器、升压器件及二极管。（图片源：Maxim Integrated）

MAX38889 是一款灵活的储能电容器或电容器组备用稳压器，可在超级电容器和系统电源轨之间有效地传输电能。当市电存在且其电压高于最低阈值系统的电源电压时，稳压器在充电模式下工作，并以最大 3 A 峰值电流、1.5 A 平均电感电流为超级电容器充电。超级电容器在作为备用电源运行前需要达到满充状态。超级电容器在充电后，电路仅消耗 4 μA 电流，同时保持超级电容器处于就绪状态。

当移除主电源时，稳压器会在设定的最高可达 3 A 的电感峰值电流下，将超级电容器电压提升到所需的系统电压，以防止系统下降到设定的系统备用工作电压以下。可逆稳压器可以保持运行，直至超级电容器电源电压仅为 0.5 V，从而最大限度地利用储存的电能。

备用时间的长短取决于超级电容器的电能储备和系统功耗。Maxim Integrated 产品的特点是可以通过单个 2.7 V 超级电容器获得最大的备用电源，同时由于不需要单独的充电器、升压装置以及二极管，因此减少了电路的元器件的数量。

结语

在如那些需要频繁更换电池的具体应用中，超级电容器相比二次电池具有若干优势，可用作备用电源。与可充电电池相比，超级电容器充电速度更快，可频繁重复使用且功率密度更高。然而，在寻求支持典型的 5 V 电源时，其最大 2.7 V 输出带来了一些设计挑战。

如图所示，可逆降压/升压稳压器提供了一种巧妙的解决方案，它允许单个超级电容器支持 5 V 线路，同时最大限度地减少所需的空间和组件的数量。