中心議題：
- 介紹降低傳統(tǒng)電容尺寸的幾個(gè)可選方案
- 討論采用超級(jí)電容器所面臨的新挑戰(zhàn)
解決方案：
- 采用超級(jí)電容，必須限制浪涌電流
- 使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的限流“智能開(kāi)關(guān)”，為超級(jí)電容充電
- 功率半導(dǎo)體制造商們開(kāi)發(fā)出新型器件，解決超級(jí)電容安全充電的所有問(wèn)題
在一些電池供電的系統(tǒng)或有功率限制的端口設(shè)計(jì)中，可用平均電流有限，而負(fù)載要求較高峰值電流，設(shè)計(jì)師需要小心應(yīng)付，確保系統(tǒng)功率不要超過(guò)主電源的容量。一般情況下，可用的峰值電流遠(yuǎn)小于負(fù)載的要求。對(duì)于不斷增長(zhǎng)的PC卡、CF、PCI或USB格式無(wú)線數(shù)據(jù)卡尤其如此，這些數(shù)據(jù)卡廣泛用于GSM、GPRS、TD-CDMA和WiMAX數(shù)據(jù)通信。
這些無(wú)線協(xié)議均采用TDMA技術(shù)，它在發(fā)射期間需要大的峰值電流。例如，GSM功率放大器發(fā)射時(shí)要求的峰值電流可以達(dá)到2A。在接收期間，電流小得多（約100mA）。這種大的范圍迫使設(shè)計(jì)師采用電容來(lái)“均化”從電源吸出的電流，即在不用時(shí)存儲(chǔ)能量，而在需要時(shí)釋放出峰值電流。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)電容技術(shù)或者需要大的外形尺寸，或者要并聯(lián)多只器件。為降低方案的尺寸，設(shè)計(jì)師一般會(huì)轉(zhuǎn)用大容值電容，或所謂的“超級(jí)”電容，它能以相對(duì)較小的尺寸提供大容值。然而，用超級(jí)電容也會(huì)帶來(lái)特殊的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
雖然超級(jí)電容較低的等效串連電阻（ESR）有助于支持大峰值電流，但卻可能為充電帶來(lái)問(wèn)題。在任何系統(tǒng)中，超級(jí)電容初始時(shí)都是放完電的狀態(tài)。當(dāng)?shù)谝淮问┘庸╇婋妷簳r(shí)，超級(jí)電容看來(lái)像一只低阻值電阻。如果不加控制或限制，就會(huì)帶來(lái)一個(gè)巨大的浪涌電流。顯然，只要設(shè)計(jì)師采用超級(jí)電容，就必須限制浪涌電流。
有幾種可選方案，最簡(jiǎn)單的方法是使用一只串聯(lián)電阻。在PC卡中，成功完成“主機(jī)/卡”協(xié)商之前可以吸入的最大電流為70mA。假設(shè)PC卡控制器需要一半電流來(lái)完成協(xié)商任務(wù)，則在起動(dòng)時(shí)，要么必須將超級(jí)電容與電源斷開(kāi)，要么用一只約100?的電阻作限流（R=V/I）。以這種速率，如果電容以約五倍恒流完全充電，則電容會(huì)在大約6.7分鐘內(nèi)完全充好。
有一種更加可行的方案，即讓PC卡在完成主控與卡之間的協(xié)商以后，再?gòu)碾娫传@得更多電能。然后就可以用較低阻抗的電阻增加充電電流。開(kāi)始時(shí)，電容的電壓仍然為低，電阻的功耗非常大。當(dāng)電容開(kāi)始充電，且電壓開(kāi)始上升時(shí)，功耗減小，可以降低電阻值。
圖1是一個(gè)電路實(shí)例，它包括一串在電容充電周期內(nèi)切換的遞減電阻值。開(kāi)關(guān)點(diǎn)的時(shí)序可以定時(shí)（對(duì)要求非常精確、昂貴電阻的情況），也可以用各種附加的電壓檢測(cè)器監(jiān)控。還有個(gè)問(wèn)題，當(dāng)電容完全充電，且拔下PC卡時(shí)，存儲(chǔ)在電容中的能量足以毀壞連接器的管腳。
智能開(kāi)關(guān)
另外一種為超級(jí)電容充電的方式是使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的限流“智能開(kāi)關(guān)”。這些所謂的智能開(kāi)關(guān)（Smartswitch）采用一支集成的P溝道或N溝道MOSFET作為負(fù)載開(kāi)關(guān)，并附帶有監(jiān)控和保護(hù)電路，對(duì)輸出限流。多數(shù)產(chǎn)品帶有熱過(guò)載保護(hù)功能，因此，如果在限流過(guò)程中，芯片溫度超過(guò)其額定最大值，則器件關(guān)斷。隨著芯片的冷卻，器件會(huì)重新導(dǎo)通，作低頻熱振蕩，直到高耗能周期結(jié)束為止。
在超級(jí)電容應(yīng)用中，智能開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，并由于大浪涌電流而立即開(kāi)始限流。這種大浪涌電流產(chǎn)生一個(gè)很高的溫升，驅(qū)使器件進(jìn)入熱關(guān)斷，此時(shí)產(chǎn)生前述的熱振蕩。這不算是問(wèn)題，因?yàn)樗邢蘖髦悄荛_(kāi)關(guān)限制都設(shè)計(jì)為能承受這種振蕩。不過(guò)，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉期間，電容不會(huì)充電，因此增加了充滿電的時(shí)間。另外，由于沒(méi)有附加電路，無(wú)法檢測(cè)電容充滿情況，也無(wú)法告訴系統(tǒng)已準(zhǔn)備好開(kāi)始傳輸。
最近，功率半導(dǎo)體制造商們開(kāi)發(fā)出了一種新型器件，解決了在最短時(shí)間為超級(jí)電容安全充電的所有問(wèn)題。這些高度集成的器件帶一個(gè)P溝道MOSFET負(fù)載開(kāi)關(guān)，并集成有限流、保護(hù)PC卡連接器、電容連續(xù)充電、系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒可以使用以及決定何時(shí)開(kāi)始電容充電所需要的全部電路。這些功能被集成在一個(gè)12PIN的TSOPJW封裝內(nèi)，器件占用的PCB板空間不到9mm2。
圖2為使用某種這類新型器件的一個(gè)應(yīng)用。該器件有兩個(gè)外部可編程限流，可用于主機(jī)/卡協(xié)商期間提供不同的限流能力。在上電時(shí)，器件在電源和超級(jí)電容之間提供一個(gè)低阻路徑。如果熱耗散低，器件將最終進(jìn)入限流狀態(tài)，且超級(jí)電容將繼續(xù)充電，直至達(dá)到約98%的最終值。在這個(gè)點(diǎn)上，系統(tǒng)準(zhǔn)備好（system ready）信號(hào)將改變狀態(tài)，告知系統(tǒng)可以開(kāi)始傳輸。
如果熱耗散高，則芯片溫度將快速上升。當(dāng)溫度升至內(nèi)部設(shè)置的極限值時(shí)，器件會(huì)起動(dòng)一個(gè)內(nèi)部數(shù)字電源循環(huán)，將電流降至某個(gè)安全值。電源循環(huán)會(huì)以固定周期探測(cè)片芯的溫度，以限流設(shè)置點(diǎn)1/32為步長(zhǎng)增、減電流，將片芯溫度調(diào)整到大約100°C。這個(gè)功能確保超級(jí)電容所有時(shí)候都在充電，在保護(hù)器件的同時(shí)減少充電時(shí)間。
在多數(shù)應(yīng)用中，通過(guò)改變超級(jí)電容的大小來(lái)減少傳輸中的電壓降，并在接收期間允許充電。通過(guò)增加可調(diào)遲滯，該器件使用戶能夠設(shè)定超級(jí)電容充滿的關(guān)鍵點(diǎn)。它可以設(shè)定為從低于滿充200mV到零之間的任何值。
過(guò)去，便攜系統(tǒng)中的超級(jí)電容只限于備份或等待應(yīng)用，電流小，充電時(shí)間一般很長(zhǎng)。隨著越來(lái)越多數(shù)據(jù)卡用于便攜式應(yīng)用，設(shè)計(jì)師必須特別仔細(xì)地確保充電時(shí)間為最短，而系統(tǒng)解決方案仍保持小體積。新一代智能開(kāi)關(guān)集成了限流、保護(hù)PC卡連接器、超級(jí)電容連續(xù)充電和告知系統(tǒng)電容已完備等功能所需全部電路，為開(kāi)發(fā)人員提供了開(kāi)發(fā)一種完整解決方案，同時(shí)減少元件數(shù)并大幅度縮小系統(tǒng)體積。
作者介紹
Phil Dewsbury是Advanced Analogic Technologies Inc. (AnalogicTech)系列產(chǎn)品總監(jiān)。他在業(yè)界有28年多的經(jīng)歷，曾在多家功率管理半導(dǎo)體公司擔(dān)任高級(jí)職位。
