超级电容器-为你的设计提供一个峰值电源或二次电源
对于大多数设计团队来说，在空间受限的电池驱动的消费电子产品开发项目上，将是最具挑战性的项目。除了能够在给定的外壳大小中实现所需的功能之外，最重要的考虑之一是可用的power预算。所有电子设备(如处理器、无线连接和显示/UI)可用的空间之间的平衡需要被放置在电池的空间上，以驱动一切。
对于某些应用程序，比如在智能手机中使用相机闪光灯的应用，峰值电力负荷明显高于其他任何用例的峰值负荷。面对这种挑战的工程师们可能会考虑使用超级电容，也就是所谓的双电层电容(EDLC)，作为实现峰值负荷要求的一种方式。超级电容器能够存储比一个方便的电解电容多100倍的能量，通常可以在40毫秒内交付4安培。这种EDLCs也是提供备用电源以适应应用程序的主电源瞬间中断的理想选择。用于固态硬盘驱动器、内存备份、实时时钟备份电源和能量存储设备的备用电源都是使用EDLC的候选设备。
与陶瓷或电解液不同，EDLCs不使用介电层。取而代之的是一种电解液,固体或凝胶状物质,在两个电极之间(图1)。这种类型的建筑的产生的电容电极的表面积成正比,通过动力活性炭沉积在铝箔作为电极,提供了一个相当高的电容值。离子吸收的过程和从电极表面产生的电荷和放电的EDLC。
超级电容器的构造- EDLC。
图1:超电容器- EDLC的结构。
EDLCs的构造往往因制造商而异，每个制造商的特性略有不同。例如，Murata，其DMT/DMF系列(图2)，使用了一套铝制层压膜，涂层两边都是绝缘塑料层。一个由活性炭电极和电解质组成的三明治组成了一个多层的包裹，每一层都由一个分离器机械地和电气分开。另外，两个电容是在一个“袋”包内形成的，并串联在一个连接到中间点的铅的外电极上。Murata产品的例子是DMT334R2S47，一种470 mF超级电容器，额定4.2 VDC工作电压。TDK使用的EDLC252520系列也采用了类似的方法，例如EDLC252520-351- 2f -21，一个350mf，带有3.2 VDC的工作电压。
能量储存用于能量收集应用。
图2:Murata EDLC包示例。
与此形成鲜明对比的是，松下以其黄金系列的EDLCs采用了几种不同的结构形式。一枚硬币单元格格式用于内存备份应用程序和二次电源太阳能手表、多个叠硬币电池安排用于工业和汽车内存备份应用程序,使用一个更熟悉的圆柱形包,ESR相对较低,用于高电流应用,如玩具。一个例子是EEC-S0HD334V，一个330 mF 5.5 VDC工作电压部分。
为了更好地理解EDLC的行为和操作，需要考虑它的等效电路模型。从简单的第一个角度看，模型如图3所示。
EDLC简单等效电路模型。
图3:EDLC的简单等效电路模型。
注意，在EDLC中两个电容单元的组合可以创建一个进一步的简化模型。等效电容为一半，有效串联电阻(ESR)加倍。然而，该模型并没有考虑活性炭电极的实际行为。由于这一结果的沉积在不同深度的地层或孔隙中，离子的运动是不同的。其结果是，离子可以快速移动到表面活性炭上，但更深层次的离子则需要更长的时间。表面可以快速接受电荷，但较深的层则需要更长时间才能完全充电。为了在等效电路模型中解释这一点，一个更精确的表示——参见图4——包含多个并联电容器和串联电阻。
EDLC的详细等效电路模型。
图4:EDLC的详细等效电路模型。
通常，超级电容EDLC设备的大多数制造商都提供具有电容值的设备，这些设备的电容值可以从几百毫发到几个带有工作电压(通常高达5.5伏)的法拉利。虽然它们的电容值和储能能力都很高，但它们的物理尺寸却相对较薄。例如，Murata DMF-4B5R5G 1 F, 5.5 WVDC部分仅测量1.181 x 0.515 x 0.146英寸(30.00 x 14.00 x 3.70 mm)。
与钽或铝电容器相比，EDLCs可以提供超过100倍的储能能力。例如，1.5 f6.3 V钽电容可以提供高达20 mJ的存储能量，相比之下，存储2000 mJ能量的则是470 mF 4.2 V EDLC。考虑到钽电容器着火的声誉应该短路发生时,他们的费用和铝的大尺寸和有限的生命周期,EDLCs成为理想的候选人提供高峰值负荷,或备用电源的应用程序,在那里他们可以交付通常10瓦,和对一些人来说,100瓦特输出。此外，与使用锂电池代替EDLC相比，锂电池只能提供非常低的功率。
充电EDLC通常只需要几分钟，这取决于设备的有效电阻(图5)。因为EDLC的内部电阻很小，所以通常不需要任何外部限流电阻。
EDLC充电-内阻与时间的关系。
图5:EDLC充电-内部阻力与时间的关系。
图6显示了基于恒流放电的EDLC放电循环的一般模型。
EDLC恒流放电的典型放电剖面。
图6:EDLC恒流放电的典型放电剖面。
图7演示了一个Murata DMF系列EDLC。由于内部的ESR，在放电的时候有一个初始的电压下降，当较大的电流条件发生时，下降幅度更大。随着时间的推移，EDLC的电压开始下降。这种下降的速度取决于所消耗的电流和额定电容值。在恒功率放电的情况下，电压与时间之间的关系不是线性的，而是基于放电功率(P)、额定电容(C)和瞬时电压电平V (dv/dt = P/CV)计算的曲线。
一种Murata DMF EDLC的放电剖面。
图7:Murata DMF EDLC的放电剖面。
正如前面提到的，有许多用于EDLC的理想用例。
图8显示了使用EDLC作为在基于电池的设计中平衡负载峰值的方法。提供额外的电源以补充电池的供应输出，当负载需求大于电池所能提供的时，组合的供应源满足应用的需求。
高峰负载均衡
图8:高峰值负载均衡。
在本文的介绍中提到的用例场景中，提供了一个EDLC来提供高峰值功率的能力，如图9所示。这样的峰值负载可能是智能手机上的相机闪光灯功能，或者是为了适应电动机启动峰值负荷。通过使用EDLC来实现这些功能，可以使用更高的额定电池，从而使设计工程师能够将BOM的整体成本降低，并将所需的空间降到最低。这在当今空间受限的消费电子设备中尤为重要。
高的峰值功率函数
图9:高峰值功率函数。
一个EDLC也可以用来储存能量，在那里电源是不经常的，但稳定的负载情况存在。参见图10。利用能量获取代替电池的概念以及没有其他可靠的电源可以吸引那些开发物联网应用的传感器应用。从多个来源获得的能量，如太阳能电池和振动收获机，可以很容易地存储在EDLC中，以维护无线传感器应用程序的可靠电源。
能量储存用于能量收集应用。
图10:能源收获应用的储能。
最后一个用例是为内存应用程序提供临时备份电源，例如固态硬盘(SSD)，如图11所示。SSD的电源中断是一个关键事件。由于对高速缓存内存的依赖，如果电源突然失效，任何挂起的磁盘/缓存写入将很可能丢失，因为正确的备用/关机过程不会发生。为了防止数据丢失和潜在的损坏磁盘分区，可以使用EDLC来确保关闭和/或缓存写入过程可以毫无错误地进行。
固态硬盘的备份电源。
图11:固态硬盘的备份电源。
随着电池和大型电容器的更换，EDLCs越来越受设计工程师的欢迎。能够提供高量的能源，占据小空间，具有良好的可靠性和老化特性，EDLC将会有很大的需求。
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