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一种高集成度微型超级电容后备电源模块设计

2022-10-24 314人浏览

当前,越来越多的超级电容器应用于小功率短时后备电源,例如电力用Ⅰ/Ⅱ型集中器、故障指示器、汽车行车记录仪、北斗导航控制器等等。然而,在实际使用过程中,很多隐性的问题逐渐凸现,例如超级电容周边PCB腐蚀、超级电容鼓底或提前失效等等,这些问题给超级电容的应用带来不小的困扰。正是基于此,需要设计一款高集成度微型超级电容后备电源,一方面可以保证超级电容极其相关电路的独立性;另一方面,有利于提升超级电容充放电管理电路的性能,避免不恰当的管理电路设计带来的负面影响。



为解决现有分离式超级电容应用中出现的问题,结构设计主要应实现如下几个要求:

(1)整体外形与超级电容自身结构兼容。当前市场上圆柱状卷绕式超级电容占主导地位,为充分压缩模块超级电容后备电源模块整体体积,且不显著改变原有电容的封装外形,结构整体轮廓需与超级电容本体紧密结合与匹配。

(2)PCB板集成简易。超级电容后备电源模块应预留足够的空间给充放电管理电路PCB使用,同时该空间位置应方便PCB安装,以最大限度减少PCB集成难度。

(3)超级电容后备电源模块采取整体灌胶密封处理,为此,在整体结构设计过程中,应通过内部组件之间的配合,预留必要的胶液通道,这样既可以保证灌胶的质量,也可以保证灌胶的效率。

(4)精简加工工序。超级电容后备电源模块内部各组件应可实现简单快速安装,以适应后续批量化生产的要求。

2、电路设计

可见,超级电容后备电源模块主要由充电管理单元M1、放电管理单元M2、超级电容模组SC1和不间断控制单元L1四个部分构成。其中,充电管理单元M1依据不同的充电时间要求,结合超级电容自身特性完成对超级电容模组SC1的充电;放电管理单元M2则根据不同的放电负载要求而进行放电;不间断控制单元L1则通过逻辑控制在输入供电掉电时,将超级电容无缝切入,继续给负载供电。


相比较而言,超级电容器的储能密度低于常用锂电池或铅酸电池。正是基于此,在很多微小功率短时后备电源的场合,例如几秒到几十秒之内后备供电时间,超级电容器是诸多储能器件中较为理想的一种选择。这主要体现在如下几个方面:

首先,超级电容器充放电管理比较简单。铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电池等等电池,均需要严格的充放电管理电路,同时,充放电管理电路也较为复杂,充放电过程中,电压、电流需按照电池特性进行分阶段控制,还要对电池工作温度进行实时监控和报警。对微小功率后备电源来说,复杂的充放电管理电路,一方面会增加电路设计难度,另一方面也会导致模块体积偏大,成本偏高。而选用超级电容器,其充放电电路可以极大简化,在体积和成本方面的优势尤其突出。

其次,超级电容器能量利用率高。当前市面上的电池产品,小微容量产品极少,很难寻找到一款几个或数十个mAh的成熟电池产品。若选用传统电池来制作微小功率短时后备电源模块,只能选择较大容量的电池产品,无形之中构成电池储能的极大浪费。电池的储能如不及时利用,随着时间的延长会在内部消耗,能量利用率极低。

再次,超级电容充电速度快。传统电池要完成饱和充电,需要一个或几个小时才可以完成,过快的充电速度会造成电池电芯内部剧烈化学反应,使电池内芯温度剧增,严重时甚至发生裂缝、爆炸、起火等危险。超级电容器具备高功率密度,可以承受大电流快速充电,进而极大缩减充电时间,在数秒或者数分钟之内即可储存90%以上的能量。


还有,超级电容器组合简单灵活。当前市场上主流超级电容器单体为柱状引针式,类似于常见的铝电解电容,串并联均比较灵活,简单组合即可构成多种电压和容量规格等级。可见,超级电容特有的封装形式,保证其组合的灵便性,这是传统电池所无法企及的。

综上,选择超级电容器作为小微功率短时后备电源储能器件。

1)充电管理单元设计



恒流限压充电特性曲线

(2)放电管理单元设计


根据实际负载电压需求,可选择不同的升降压方案来完成放电单元电路设计。放电管理单元电路具备如下几个特性:

①超级电容模组漏电损耗极低。放电管理单元待机过程中,升降压电路处于关断状态,即升降压电路不工作。超级电容模组SCM1通过放电管理电路产生的漏电极小,相应产生的漏电损耗也极低。

②放电单元开关可控。除了上文描述的Vin掉电控制放电单元开启工作外,还可以通过在外部施加电平控制信号来实现SCM1的放电。在很多不需要超级电容模组立即放电的场合,可以通过外部施加信号CTRL编程,实现分时输出电压或者按某一特定频率输出电压等等应用,扩展超级电容后备电源模块功能。


(3)不间断控制单元设计



4)设计比较优势


综合上述设计不难发现,该超级电容后备电源模块具备如下几个突出优势:

1)高集成度。将超级电容模组及其充放电管理电路合二为一,具备较高的集成度。使用该模块可以简化超级电容终端用户电路设计,免去终端用户设计充放电管理电路的困扰,让终端用户产品设计更加简单、高效。

2)输出灵活控制。模块预留CTRL外部控制信号,终端用户可以通过CTRL信号编程,实现所需的特定电压输出时序。当终端用户不使用CTRL信号时,模块自动默认为不间断后备电源模式。这无疑都极大地增加了终端用户使用的灵活性。

3)宽输入电压。模块内置两级降压电路,可适应宽范围输入电压。即使输入电压出现大范围波动,模块也可通过自身调整实现可靠充电。当然,宽的输入电压范围也能让模块兼容多个输入电压轨,增加其适用性。

4)环境适用性强。模块整体采用灌胶密封处理,防水、防潮、防腐蚀,防护等级较高,可适用于各类一般恶劣环境。

5)避免漏液风险。当前,长期使用中“漏液”腐蚀PCB问题已经引起各大超级电容厂商和终端用户的高度关注,经过前期探索和试用,采用二次灌胶密封处理可以有效避免“漏液”问题的发生,并得到大家的广泛认可。模块正好可以解决这一行业难题,解除“漏液”腐蚀PCB困扰;

6)易安装和维护。模块自成一体,类似与独立电池系统。当模块发生故障时,直接更换即可,维护工作量较小。而采用分离式电路设计,一旦充放电管理电路出现故障,不得不更换整个终端产品,并仔细排查整个产品中每一个电路模块,这显然会增加维护成本,也加大了维护工作量。

3.设计比较优势



综合上述设计不难发现,该超级电容后备电源模块具备如下几个突出优势:

1)高集成度。将超级电容模组及其充放电管理电路合二为一,具备较高的集成度。使用该模块可以简化超级电容终端用户电路设计,免去终端用户设计充放电管理电路的困扰,让终端用户产品设计更加简单、高效。

2)输出灵活控制。模块预留CTRL外部控制信号,终端用户可以通过CTRL信号编程,实现所需的特定电压输出时序。当终端用户不使用CTRL信号时,模块自动默认为不间断后备电源模式。这无疑都极大地增加了终端用户使用的灵活性。

3)宽输入电压。模块内置两级降压电路,可适应宽范围输入电压。即使输入电压出现大范围波动,模块也可通过自身调整实现可靠充电。当然,宽的输入电压范围也能让模块兼容多个输入电压轨,增加其适用性。

4)环境适用性强。模块整体采用灌胶密封处理,防水、防潮、防腐蚀,防护等级较高,可适用于各类一般恶劣环境。

5)避免漏液风险。当前,长期使用中“漏液”腐蚀PCB问题已经引起各大超级电容厂商和终端用户的高度关注,经过前期探索和试用,采用二次灌胶密封处理可以有效避免“漏液”问题的发生,并得到大家的广泛认可。模块正好可以解决这一行业难题,解除“漏液”腐蚀PCB困扰;

6)易安装和维护。模块自成一体,类似与独立电池系统。当模块发生故障时,直接更换即可,维护工作量较小。而采用分离式电路设计,一旦充放电管理电路出现故障,不得不更换整个终端产品,并仔细排查整个产品中每一个电路模块,这显然会增加维护成本,也加大了维护工作量。



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