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使用超级电容器时你得小心点
设计人员正在将超级电容器（亦称电化学双层电容器，或 EDLC）用于各种各样的应用。其中包括针对带闪存嵌入式系统的本地备用电源、脉冲电源、桥接或保持电源、相机闪光灯系统、能量收集、脉冲应用、不间断电源、工业系统、无线警报器、远程计量和玩具。尽管它们很有用，但相对于传统的板级电容器，设计人员应该知道超级电容器的复杂性和微妙之处。
在这篇博客中，我们将首先关注使用超级电容器时的三个重要考虑因素，最后快速了解一下来自 AVX Corp.、Eaton 和 KEMET 的超级电容器，这些电容器都针对一系列应用进行了优化。
设计使用超级电容器时需要考虑的问题
超级电容器有一些微妙之处可能会给设计人员带来挑战，具体包括：
等效串联电阻 (ESR)：超级电容器的 ESR 不是那么简单。各个制造商规格书上的规格可能看起来差别不大，但实际出货时 ESR 可能有相当大的差别。此外，ESR 会随着超级电容器的老化而增加。设计人员应该寻找 ESR 起始值较低且在其整个工作寿命期间在较宽的温度范围内保持相对较低的超级电容器。影响 ESR 的因素包括材料纯度、制造过程的清洁度以及器件在出货前经过多长时间（如果有的话）的烧结。
最大限度地延长超级电容器的寿命：一般来说，在单元层面上，较高的温度和较高的工作电压会使 ESR 增加得更快，并会减少超级电容器的寿命。因此，降低每个单元的工作电压是设计人员最大限度延长其寿命的主要手段。典型的策略是，将更多的单元串联起来，但这增加了系统的 ESR。但这可以通过增加电容降低 ESR 来克服。
电源转换：许多设计人员习惯于使用电池或其他更恒定的电压源。当使用超级电容器时，重要的是要了解电压在为负载供电时是如何下降的，以及电流速率对电压的影响。用一个次优的电源转换器，超级电容器可能比需要的更昂贵。如果电力电子器件设计成使用更宽的电压窗口（全额定电压到 ½ 额定电压），就能使超级电容器中储存的全部能量得到利用。这样可以使用更小的超级电容器，从而有助于降低成本，并减少系统尺寸。
用于实现高能量密度的五法拉超级电容器
Eaton 的 PHV-5R4H505-R 5 法拉 (F) 超级电容器是一种 5 伏器件，旨在用于高能量密度应用，如脉冲电源系统、不间断电源和工业系统（图 1）。它具有集成电池管理功能（内置平衡）。其 ESR 在 100 赫兹 (Hz) 时为 70 毫欧 (mΩ)，在 1 千赫兹 (kHz) 时为 65mΩ，工作温度范围为 -40℃ 至 +65℃，扩展温度范围为 +85℃，在 +85℃ 时线性电压降至 4.0 伏。假设在指定的充电电压和温度范围内运行，PHV-5R4H505-R 的使用寿命长达 20 年。
图 1：Eaton 的 PHV-5R4H505-R 5 F 超级电容器采用矩形封装，功率密度高。（图片来源：Eaton）
接下来，我们来了解一下针对不同的应用需求集而优化的两个 470 毫法 (mF) 超级电容器。
用于脉冲电源的 400 mΩ、470 mF 超级电容器
SCMQ14C474PRBA0 是 AVX 的一个 5 伏、470 mF、串联式超级电容器模块，1 kHz 时的 ESR 为 400 mΩ（图 2）。优化用于能量收集系统、脉冲电源应用，以及用于补充或替代能量保持电路中的电池。当与电池结合使用时，这些超级电容器可以延长备用时间，有助于延长电池寿命，并支持瞬时脉冲功率要求。
图 2：SCMQ14C474PRBA0 是一款为能量收集系统和脉冲电源应用而优化的 5 伏、470 mF 超级电容器。（图片来源：AVX Corp.）
用于长期备用电源的 25Ω、470 mF 超级电容器
FC0V474ZFTBR24 是 KEMET 生产的 470 mF、3.5 伏超级电容器，适合用于低电压、直流保持应用，如带有闪存和时钟 IC 的嵌入式微处理器系统（图 3）。该器件在 1 kHz 时的 ESR 为 25 Ω，特别适合用于长时间提供 500 微安 (μA) 及以下的备用电流。
图 3 ：FC0V474ZFTBR24 是 KEMET 推出的 470 mF、3.5 伏超级电容器，采用表面贴装封装，不需要支架。（图片来源：KEMET）
结语
超级电容器比传统的板级电容器更复杂：提供了许多变型，以适应嵌入式系统中的本地电源备份、脉冲电源、能量收集、不间断电源、工业系统和远程计量等各种应用。设计人员需要特别注意 ESR、确保延长工作寿命所涉及的微妙问题以及电源转换器设计。
关于此作者
Jeff 从事电力电子、电子元件和其它技术主题写作 30 余载。在其于 EETimes 任职高级编辑期间，他开始了电力电子写作。后来，他创立了一份叫《Powertechniques》的电力电子杂志，再后来又创立了一家全球性的研究和出版公司 Darnell Group。在开展各项业务的同时，Darnell Group 还发布了 PowerPulse.net，专门针对全球电力电子工程社区提供每日新闻。他是一本名为《Power Supplies》的开关模式电源教课书的作者，该书由 Prentice Hall 旗下 Reston 分部出版。
Jeff 还是 Jeta Power Systems 共同创始人，这是一家高功率开关电源制造商，后来被 Computer Products 收购。Jeff 也是一个发明家，其名下拥有 17 项热能收集和光学超材料美国专利，同时他也是掌握电力电子行业全球趋势的专家和网红发言人。他拥有加利福尼亚大学定量方法和数学硕士学位。
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