为什么MOSFET是自动平衡超级电容器泄漏的最佳选择

MOSFET可降低超级电容器的工作偏置电压，平衡电路的功耗，并可以根据温度、时间和环境变化而自动调节。

在能量采集、办公自动化和备份系统等一系列新产品设计中，超级电容器（supercapacitor）引起了设计团队的关注。这些超级电容器电池具有高效存储能力，可根据需要快速释放能量。为确保峰值性能和较长的产品生命周期，超级电容器的电压必须得到平衡。如果由于电池之间的泄漏电流差异而发生不平衡，则可能触发能量耗散，导致超级电容器电池过早失效。

超级电容器，也称为超电容（ultracapacitor），具有高功率、快速充/放电、峰值功率削减和备用电源等功能特性，适合关键型数据保护和电池备份应用。对于供电需求不超过30秒的应用，它们正成为一种流行的选择。

超级电容器也提高了能量密度。随着电池逐渐增加功率密度，它们可以更有效地缓冲和储存能量，从而最大化能量收集工作。

有个问题：每个超级电容器都有电容、内阻和漏电流方面的容差。这可能会导致电池电压不平衡。必须对超级电容器进行平衡，以确保电压不超过超级电容器的最大额定电压。

电源系统设计人员应选择同一制造商的超级电容器，以确保初始电池电压值在同一范围内。其次，必须补偿由单个电池中的漏电流引起的任何电池电压不平衡。

有两种类型的平衡方法可用于调节超级电容器电池的电压：主动式和被动式。被动平衡方法会用到低值电阻，这种方法有点耗能，并且不能随温度变化而调节。主动式平衡方法使用运算放大器（op-amp），或使用MOSFET进行电流平衡。

以下是两个超级电容器串联在一起的情景。第一种场景是超级电容器具有自动平衡功能，第二种场景是超级电容器不具备自动平衡功能。这两种设计方案之间的差异将证明，需要一种自动校正漏电流变化影响的平衡方法。

没有自动平衡的超级电容器

漏电流会导致电压不平衡和功率损耗。电源系统设计人员必须补偿每个超级电容器电池的漏电流。否则，如果电压超过电池额定电压一段时间，超级电容器的工作寿命可能会缩短甚至永久损坏。

下图（图1）展示了两个串联连接的超级电容器，没有借助自动平衡机制。它描述了漏电流如何随差分电压的变化而上下移动。如果不平衡，这一问题可能会因过压效应而导致故障。

图1：两个串联连接的超级电容器视图，没有自动平衡机制。

图1显示，在2.3 V时，上面的超级电容器漏电流为1.6μA，而下面的超级电容器漏电流为0.8μA。如果这两个超级电容器不平衡和均衡漏电流，那么下面的超级电容器可能由于过压而永久失效。

超级电容器具有自动平衡功能

图2示出了MOSFET如何通过降低超级电容器的工作偏置电压来平衡超级电容器，从而平衡电路的功耗。

图2：两个串联的超级电容器使用MOSFET芯片实现卓越的自动平衡。

ASSUME: 假设

1. Charge voltage of 4.6V 充电电压为4.6V
2. Cell capacitance C1=C2 电池电容C1 = C2
3. Zero is either slightly positive, zero, or slightly negative power burn.：零点是略微正、零或略微负的功耗。

没有自动平衡的超级电容器由上面的水平虚线表示，可能由于过压而损坏电池。水平实线表示使用MOSFET器件的电流平衡操作。当MOSFET连接在阵列中的超级电容器上时，由另一个超级电容器的漏电流引起的电压小幅上升会导致该MOSFET的导通电阻（RDS(ON)）大幅下降。这会引起超级电容器的电流增加，随后降低电压。

自动平衡的原理是利用MOSFET器件的自然阈值特性。在阈值电压下，MOSFET导通并开始传导电流。该特性可确保MOSFET芯片几乎很少或没有额外的漏电流。

图2还显示了运算放大器电压平衡方法如何迫使两个超级电容器单元在2.3V的中点达到相同的电压。但是，这样做时，两个电池会消耗一些功率。如果两个电池的电容没有充分平衡，则会导致额外的功耗。因此，在运算放大器自动平衡的过程中存在显著的能耗。此外，运算放大器也会通过其电路网络自行消耗电能。

使用运算放大器，如果两个电池的电容值之间存在不匹配，则会导致功耗。与运放不同的是，MOSFET可通过互补的反向电流水平来实现自然的电池平衡。

另外，图2中的超级电容器电池1和电池2是可以互换的。因此，不知道哪一个有更大的漏电流。一些电流来自MOSFET本身，而不是超级电容器电池2。

基于MOSFET的漏电流平衡机制是完全自动化的，几乎适用于所有超级电容器。这种自动平衡技巧不需要额外的电流消耗，并且可以根据温度、时间和环境变化而自动调节。

从MOSFET到线路板

即插即用型印刷电路板（PCB）可以安装MOSFET，以自动平衡超级电容器电池的漏电流和电压。单个或多个MOSFET都可以安装到超级电容自动平衡（SAB）PCB上，以自动平衡超级电容器电池。

图3：尺寸为0.6×1英寸的SABMB2线路板的方框图，用于超级电容器自动平衡。

例如，ALD的即插即用型SAB PCB可用于原型设计或生产设计。这些电路板可以级联形成一个系列链，范围从2到数百个，用于平衡超级电容器堆栈。

（参考原文：Why MOSFETs are the best choice for automatically balancing supercapacitor leakage）

本文同步刊登于电子工程专辑杂志2019年6月刊