作者：駿龍科技 Carter Huang

摘要：

本文對ADI在超級電容備份電源的應用進行了簡要總結與歸納，同時給出了部分解決方案及測試結果，并提供了部分實物設計圖，適合研發人員進行相關設計時參考。

正文：

超級電容因其高功率密度、快速充放電和長壽命等特性，在多個行業中作為備份電源得到廣泛應用。例如在公共交通工具的啟動和制動、軌道交通的能量回收及電源備份、通訊及電力設備電源備份等。本文使用 ADI 器件設計了相關的超級電容充電和升壓切換模組，對相關設計中的部分問題進行探討，最后對模塊進行測試，并提供了實物圖、測試波形等進行參考。

24V及以下超級電容備份系統典型框圖

下圖（圖1）為 24V 及以下超級電容備份系統設計框圖：

圖1 設計框圖

1.輸入電源

輸入電源（如適配器或外部電源）為系統提供能量，同時正常工況時可以給超級電容進行充電。

2. 充電模塊

典型系統采用降壓充電電路，將輸入電壓降至適合超級電容的充電電壓，并按照配置好的充電模式對超級電容組進行充電，器件一般帶恒流充電或者輸入功率限制等功能。

3.超級電容組

超級電容，用于存儲能量，典型的單體超級電容電壓有2.7V、3.0V 等，需要根據實際應用的需求進行串并聯組合。

4.均衡電路

確保每個單體超級電容單元的電壓均衡，防止過壓或欠壓，一般電路為帶基準的比較器器件、功率 MOS 管、功率電阻，或者3者功能集成的器件，當單體電容電壓超過閾值時，通過 MOS 和外部功率電阻進行放電。

5.升壓模塊

一般為升壓轉換器，將超級電容的電壓提升至負載所需的工作電壓，推薦使用帶過流保護功能的寬輸入范圍同步升壓器件，以最大程度的利用電容能量。

6.切換控制模塊

切換電路，在輸入電源和超級電容之間升壓電路之間切換，確保負載在不同情況下獲得穩定的電源供應，需要根據輸入電源的狀態和負載需求，控制切換電路的運作。

7.模塊整體電壓監測及過流檢測、模組快速放電電路等

這些屬于整體的功能安全電路，由于超級電容的容量大，需要考慮整體模組的放電及故障關斷及監控等。

分立方案ADI器件推薦

下表為各功能模塊下推薦的 ADI 器件以及它們的功能：

根據相關的器件和設計思路，我們設計了如下的實際電路并進行了一些簡單的測試。下圖（圖2）、（圖3）分別為電路模塊的正、反面。

圖2  模塊正面

圖3 模塊背面

模塊簡要測試

如下圖（圖4）所示，通道 1 是負載供電電壓，通道 2 是正常供電電壓 Vin, 通道 3 是超級電容充滿后升壓器件的輸出電壓。當通道 2 發生故障或者電壓跌落，模塊切換到通道 3 輸出，切換過程基本沒有波動。

圖4 通道2發生故障時的模塊切換備用電源狀態

從下圖（圖5）中看到，當通道2正常供電電壓恢復正常，整個模塊在400uS內完成了電源從通道3超級電容供電到通道2正常供電的切換。 

圖5 模塊切換回正常供電狀態

ADI集成器件介紹

ADI目前推出了很多集成充電、升壓及功率路徑切換的器件方案，如MAX38890、LTC3350、LTC3351、LTC3355等，下圖（圖6）展示了LTC3350的推薦設計模塊。這些器件針對不同電壓等級、不同數量及容量的超級電容等，具有更高集成度的優勢，設計時可靈活選用。 

圖6 LTC3350的推薦設計模塊

總結

ADI針對超級電容作為備用電源的設計方案，提供了多種解決方案。在實際設計中，我們要在體積、可靠性、功能、效率、散熱等方面綜合考慮。ADI與駿龍科技愿意幫助客戶在相關產品設計中尋找合適的方案，使產品在眾多要求中達到一個合理的平衡。如需對接具體產品或了解更多技術細節，請與駿龍科技當地的辦事處聯系，或發送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細的技術解答。

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