原标题：如何使用单个超级电容器作为5伏电源的备用电源

　　曾经仅限于任务关键型设备，备用电源解决方案现在需要工业、商业和消费类终端产品中的各种电子应用。虽然有多种选择，但超级电容器在主电源中断时提供最紧凑和能量密度最高的解决方案作为储能器。例如，当主电源中断或更换电池时。

　　然而，超级电容器带来了设计挑战，因为每个器件只能提供高达2.7伏的电压。这可能意味着需要多个超级电容器 - 每个电容器都有相关的电池平衡和升压(升压)或降压(降压)电压转换器 - 为5伏电源轨提供稳压电源。结果是一个复杂而微妙的电路，相对昂贵，占用过多的电路板空间。

　　本文将电池与超级电容器进行比较，并解释了为什么后者为低压、紧凑型电子应用提供了多种技术优势。然后，本文解释了如何设计一种简单而优雅的解决方案，仅使用单个电容器和可逆降压/升压转换器为5伏电源轨供电。

　　电池与超级电容器

　　不间断电源已成为现代电子设备令人满意的用户体验的关键要素。如果没有恒定的电源，电子产品不仅会停止运行，还会丢失重要信息。例如，如果发生中断，连接到主电源的 PC 将丢失其易失性 RAM 中保存的数据。或者胰岛素泵可能会在更换电池期间从易失性记忆中丢失重要的血糖读数。

　　防止这种情况发生的一种方法是合并一个备用电池，该电池存储能量，然后在主要电源发生故障时可以释放能量。锂离子(Li-ion)电池是一项成熟的技术，具有非常好的能量密度，允许相对紧凑的设备长时间提供备用电源。

　　但无论它们的基础化学成分如何，所有电池都有独特的特性，在某些情况下可能会出现问题。例如，它们相对较重，需要相对较长的时间来充电(如果频繁停电，这可能是一个问题)，电池只能充电有限的次数(增加维护成本)，并且制造它们的化学物质可能会带来安全和环境危害。

　　备用电源的替代解决方案是超级电容器，也称为超级电容器。超级电容器在技术上称为双电层电容器(EDLC)。该器件采用对称、电化学稳定的正负碳电极构建。它们由绝缘离子渗透分离器分离，该分离器内置于装有有机盐/溶剂电解质的容器中。电解质旨在最大限度地提高离子电导率和电极润湿性。与传统电容器相比，高表面积活性炭电极与极小的电荷分离相结合，导致超级电容器的电容要高得多(图 1)。

　　图 1：超级电容器使用对称的正负碳电极，由浸入电解质中的绝缘离子渗透隔板隔开。高表面积电极和极小电荷分离的组合可实现高电容。(图片来源： 麦克斯韦科技)

　　电荷通过电解质可逆吸附到大表面积碳电极上以静电方式存储。电荷分离发生在电极/电解质界面的极化上，产生同名的双层。这种机制是高度可逆的，允许超级电容器充电和放电数十万次，尽管随着时间的推移电容会有所降低。

　　由于它们依靠静电机制来储存能量，超级电容器的电气性能比电池更可预测，并且其结构材料使它们更可靠，更不容易受到温度变化的影响。在安全方面，超级电容器包含的挥发性材料比电池少，并且可以完全放电以实现安全运输。

　　另一个优点是，与二次电池相比，超级电容器的充电速度要快得多，因此，如果在第一次故障后不久再次断电，备用电源随时可用，并且不会过度充电。超级电容器还可以承受更多的充电周期，从而降低维护成本。

　　此外，超级电容器提供比电池高得多的功率密度(衡量单位时间内可以存储或输送多少电力的指标)。这不仅可以确保快速充电，还可以在需要时允许高电流突发，从而允许它们在更多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)远低于电池。这使他们能够更有效地提供电力，而不会有任何过热的危险。超级电容器的功率转换效率大于98%是典型的。

　　图 2：可充电电池可以在适中的电流下长时间供电，但充电需要很长时间。相比之下，超级电容器(或超级电容器)以高电流快速放电，但也快速充电。(图片来源：麦克斯韦科技)

　　与可充电电池相比，超级电容器的主要缺点是它们的能量密度相对较低(衡量每单位体积存储的能量)。与相同体积的超级电容器相比，今天的技术允许锂离子电池存储二十倍的能量。随着超级电容器新材料的改进，这一差距正在缩小，但多年来可能仍然很重要。超级电容器的另一个显着缺点是与锂离子电池相比成本相对较高。

　　超级电容器的设计注意事项

　　如果电子产品要依靠超级电容器作为备用电源，设计人员必须了解如何选择最佳组件，以实现可靠的能量存储和传输以及长寿命。

　　数据表上首先要检查的是温度对电容和电阻的影响。良好的设计做法是选择在最终产品的预期工作温度范围内变化很小的器件，以便在需要备用电源时，提供的电压稳定，并且能量得到有效传输。

　　超级电容器的寿命在很大程度上取决于工作电压和温度的综合影响(图 3)。超级电容器很少发生灾难性故障。相反，其电容和内阻会随着时间的推移而变化，并逐渐降低性能，直到组件不再能够满足最终产品规格。在最终产品生命周期开始时，性能下降通常更大，随着最终产品的老化而逐渐减少。

　　图 3：较高的温度和施加的电压会缩短超级电容器的使用寿命。(图片来源：Elcap，CC0，通过维基共享资源，由作者修改)

　　当用于备用电源应用时，超级电容器将长时间保持在工作电压，只是偶尔被要求释放其存储的能量。这最终会影响性能。数据表将指示典型工作电压和不同温度下电容随时间推移的下降情况。例如，对于在 25°C 下保持 2.5 伏电压 88，000 小时(10 年)的超级电容器，电容可能会降低 15%，内阻增加 40%。在为具有较长使用寿命的最终产品设计备份设备时，应考虑这种性能下降。

　　电容器的时间常数是器件达到完全充电的 63.2% 或放电达到完全充电的 36.8% 所需的时间。超级电容器的时间常数约为一秒;这比电解电容器短得多。由于这个短时间常数，设计人员应确保备用电源超级电容器不会暴露在连续纹波电流下，否则可能会导致损坏。

　　超级电容器可以在 0 伏特和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可用能量和功率存储，但大多数电子元件都具有最小电压阈值。此最小电压要求限制了可从电容器获取的能量。

　　例如，电容器中存储的能量为 E = 1/2CV2.根据这种关系，可以计算出，如果系统在电容器额定电压的一半(例如 2.7 至 1.35 伏)下工作，则可以获得大约 75% 的可用能量。

　　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各种电子产品提供备用电源，但设计人员必须警惕它们带来的设计挑战。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艰巨的任务。关键的复杂性在于商用超级电容器的额定电压约为 2.7 伏，因此要提供典型的 5 伏电源轨，必须串联使用两个超级电容器(图 4)。

　　图 4：商用超级电容器的额定电压约为 2.7 伏，因此要为典型的 5 伏电源轨供电，必须串联使用两个超级电容器，从而使设计过程复杂化。(图片来源：美信集成)

　　虽然这是一个令人满意的工作解决方案，但由于需要主动或被动电池平衡，它会产生额外的成本和复杂性。由于电容容差、不同的漏电流和不同的ESR，两个或多个标称相同且完全充电的电容器上的电压可能会不同。这种电压不平衡导致备用电路中的一个超级电容器提供比另一个更大的电压。随着温度的升高和/或超级电容器的老化，这种电压不平衡可能会增加到一个超级电容器两端的电压超过该设备的额定阈值并影响使用寿命的程度。

　　低占空比应用中的电池平衡通常通过在每个电池并联放置一个旁路电阻来实现。选择电阻值的值是允许任何电流主导超级电容器总泄漏电流的值。该技术有效地确保超级电容器之间等效并联电阻的任何变化都可以忽略不计。例如，如果备份电路中的超级电容器的平均漏电流为10微安(μA)，则1%的电阻将允许100 μA的电流旁路，从而将平均漏电流提升至110 μA。这样，电阻器有效地将超级电容器之间的漏电流变化从百分之几十降低到百分之几。

　　由于所有并联电阻都相当匹配，任何具有较高电压的超级电容器都将以比具有较低电压的超级电容器更高的速率通过其并联电阻放电。这样可以在整个超级电容器系列上均匀分配总电压。对于高负载应用，需要更复杂的超级电容器平衡。

　　将单个超级电容器用于 5 伏电源

　　如果采用单个超级电容器而不是两个或更多超级电容器，则备用电源电路可以变得不那么复杂，占用的空间更少。这种布置消除了对超级电容器平衡的需求。但是，单个器件的 2.7 V 输出需要使用升压稳压器来增加，从而产生足够的电压来克服二极管两端的压降，并为系统提供 5 V 的电压。超级电容器由充电装置充电，并在需要时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供电(图 5)。

　　图 5：在备用电源电路中使用单个超级电容器无需电池平衡，但需要一个升压稳压器来提升超级电容器的输出电压。(图片来源：美信集成)

　　更优雅的解决方案是使用单个电容器，并辅以专用电压转换器，例如 美信集成的 MAX38888 或 MAX38889 可逆降压-升压稳压器。前者提供 2.5 伏至 5 伏和高达 2.5 安培 (A) 的输出，而后者是 2.5 伏至 5.5 伏的 3 A 输出设备(图 6)。

　　图 6：当用于超级电容电源备份电路时，MAX38889(或MAX38888)可逆稳压器无需单独的充电器和升压器件以及二极管。(图片来源：美信集成)

　　MAX38889为柔性存储电容或电容组后备稳压器，用于在超级电容和系统电源轨之间高效传输电源。当存在主电源且其电压高于最小阈值系统电源电压时，稳压器以充电模式工作，并以最大3 A峰值(1.5 A平均电感电流)为超级电容器充电。超级电容器需要充满电才能实现备份操作。超级电容器充电后，电路仅消耗4 μA电流，同时保持组件处于就绪状态。

　　当主电源被移除时，稳压器通过将超级电容器电压升压到所需的系统电压(编程峰值电感电流)下(最大3 A)来防止系统降至设定的系统备用工作电压以下。可逆稳压器可在低至 0.5 V 的超级电容器电源电压下工作，从而最大限度地利用存储的能量。

　　备份的持续时间取决于超级电容器的能量储备和系统功耗。Maxim Integrated产品的特点允许单个2.7 V超级电容器提供最大的备用电源，同时无需单独的充电器和升压器件以及二极管，从而减少了电路元件的数量。

　　结论

　　与二次电池相比，超级电容器在特定应用中具有多种优势，可用于备用电源，例如需要频繁更换电池的应用。与可充电电池相比，超级电容器充电速度更快，可以循环更多次，并提供更高的功率密度。但是，在寻求备份典型的 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优雅的解决方案，它允许单个超级电容器备份 5 伏线路，同时最大限度地减少空间和所需组件的数量。