超级电容器—高功率脉冲应用和瞬时功率保持选型实例

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超级电容器——高功率脉冲应用和瞬时功率保持选型实例
超级电容器的两个主要应用：高功率脉冲应用和瞬时功率保持。高功率脉冲应用的特征：
瞬时流向负载大电流；瞬时功率保持应用的特征：要求持续向负载提供功率，持续时间一般
为几秒或几分钟。瞬时功率保持的一个典型应用：断电时磁盘驱动头的复位。不同的应用对
超电容的参数要求也是不同的。高功率脉冲应用是利用超电容较小的内阻(R)，而瞬时功率
保持是利用超电容大的静电容量(C)。
下面提供了两种计算公式和应用实例：
C(F)： 超电容的标称容量；
R(Ohms)： 超电容的标称内阻；
ESR(Ohms)：1KZ 下等效串联电阻；
Uwork(V)： 在威廉希尔官方网站 中的正常工作电压
Umin(V)： 要求器件工作的最小电压；
t(s)： 在威廉希尔官方网站 中要求的保持时间或脉冲应用中的脉冲持续时间；
Udrop(V)： 在放电或大电流脉冲结束时，总的电压降；
I(A)： 负载电流；
瞬时功率保持应用
超电容容量的近似计算公式，该公式根据，保持所需能量=超电容减少能量。
保持期间所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t；
超电容减少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2)，
因而，可得其容量(忽略由IR 引起的压降)C=(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)
实例：
假设磁带驱动的工作电压5V，安全工作电压3V。如果直流马达要求0.5A 保持2 秒（可
以安全工作），那么,根据上公式可得其容量至少为0.5 F。
因为5V 的电压超过了单体电容器的标称工作电压。因而，可以将两电容器串联。如两
相同的电容器串联的话，那每只的电压即是其标称电压2.5V。
如果我们选择标称容量是1F 的电容器，两串为0.5F。考虑到电容器－20％的容量偏差，
这种选择不能提供足够的裕量。可以选择标称容量是1.5F 的电容器，能提供1.5F/2=0.75F。
考虑－20％的容量偏差，最小值1.2F/2＝0.6F。这种超级电容器提供了充足的安全裕量。
大电流脉冲后，磁带驱动转入小电流工作模式，用超电容剩余的能量。
在该实例中，均压威廉希尔官方网站 可以确保每只单体不超其额定电压。
脉冲功率应用
脉冲功率应用的特征：和瞬时大电流相对的较小的持续电流。脉冲功率应用的持续时间
从1ms 到几秒。
设计分析假定脉冲期间超电容是唯一的能量提供者。在该实例中总的压降由两部分组
成：由电容器内阻引起的瞬时电压降和电容器在脉冲结束时压降。关系如下：
Udrop=I(R+t/C)
上式表明电容器必须有较低的R 和较高的C 压降Udrop 才小。
对于多数脉冲功率应用，R 的值比C 更重要。以2.5V1.5F 为例。它的内阻Ｒ可以用直
流ESR 估计，标称是0.075Ohms(DC ESR=AC ESR*1.5＝0.060Ohms*1.5=0.090Ohms)。额定容
量是1.5F。对于一个0.001s 的脉冲， t/C 小于0.001Ohms。即便是0.010 的脉冲t/C

也小于0.0067Ohms，显然R（0.090Ohms）决定了上式的Udrop 输出。
实例：
GSM/GPRS 无线调制解调器需要一每间隔4.6ms 达2A 的电流，该电流持续0.6 ms。这种
调制解调器现用在笔记本电脑的PCMCIA 卡上。笔记本的和PCMCIA 连接的限制输出电压
3.3V+/-0.3V 笔记本提供1A 的电流。许多功 率放大器（PA）要求3.0V 的最小电压。对于
笔记本电脑输出3.0V 的电压是可能的。到功率放大器的电压必须先升到3.6V。在3.6V 的
工作电压下（最小3.0V），允许的压降是0.6V。
选择超级电容器（C：0.15F,AC ESR：0.200Ohms,DC ESR：0.250Ohms）。对于2A 脉冲，
电池提供大约1A，超电容提供剩余的1A。根据上面的公式，由内阻引起的压降：1A×
0.25Ohms=0.25V。I(t/C)=0.04V 它和由内阻引起的压降相比是小的。
结论
不管是功率保持还是功率脉冲应用都可以用上公式计算．当威廉希尔官方网站 的工作电压超过超电容
的工作电压时，可以用相同的电容器串联．一般地，串联应该保持平衡以确保电压平均分
配．在脉冲功率应用中由超电容内阻引起的压降通常是次要因素。电容器超低的内阻提供一
种克服传统电池系统阻抗大的全新的解决方案。

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