- 超級電容在手機中的應用
- 超級電容供電的LED閃光燈
- DC/DC轉換器限制尖峰充電電流
對高級照相手機制造商來(lái)說(shuō)，最重要的挑戰就是提供高亮度相機閃光燈所需的大峰值電流。隨著(zhù)照相手機的分辨率增長(cháng)到三百萬(wàn)像素及以上，產(chǎn)生高質(zhì)量圖像所需的光通量也已急劇提高。為了匹配數碼相機的照片質(zhì)量，必須以高達2A的電流驅動(dòng)LED閃光燈，或將氙氣閃光管充電到330V以上。手機的其他應用(包括RF功放、GPS導航、互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)、音樂(lè )和視頻)也有可能超過(guò)電池電流的供應能力。
設計挑戰
照相手機在中度到低度光照條件下需要一個(gè)高亮度閃光燈來(lái)產(chǎn)生曝光充分的圖片。設計師可以選擇LED或氙氣閃光管，但它們兩者都有相應的挑戰。
大電流LED閃光燈需要4倍于電池提供的功率，才能產(chǎn)生高分辨率圖像所需的光亮度。為了克服功率限制問(wèn)題，一些照相手機已經(jīng)采用更長(cháng)的閃光曝光時(shí)間來(lái)補償光通量的不足，而這會(huì )導致圖片的模糊。
氙氣閃光管可提供很好的光照度，但它的閃光曝光時(shí)間很短，因此不能用于視頻捕捉/電影模式功能。它所需的電解儲存電容對纖薄型設計來(lái)說(shuō)體積太大、工作電壓很高，兩次閃光之間需要較長(cháng)時(shí)間才能充滿(mǎn)電，不能用于手機中其他需要峰值功率的應用。
解決為每個(gè)LED閃光燈提供1～2A驅動(dòng)電流問(wèn)題的方法之一是，用一個(gè)電容來(lái)儲存電流，并在不分流主電池的情況下快速供電。不過(guò)，如果采用傳統電容要儲存大電流，不是需要一個(gè)體積非常大的大容量電容，就是需要多個(gè)并聯(lián)起來(lái)的中等容量電容。對于空間受限的便攜式系統來(lái)說(shuō)，更為實(shí)用的解決方案是采用容值非常高的超級電容。
通過(guò)使用一個(gè)超級電容，設計師可以為這些短持續間隔的事件提供所需的大電流，并在這些事件之間通過(guò)電池對它們再充電。為了支持電池，設計師可以增加一個(gè)很薄的超級電容，這可在不犧牲纖薄手機設計的情況下應對手機的峰值功率需求(如為拍照、音頻和視頻、無(wú)線(xiàn)傳輸和GPS結果閱讀提供閃光)。它也允許設計師通過(guò)僅滿(mǎn)足平均功耗而不是峰值功耗來(lái)最佳地調整電池和功率電路的大小，減少系統的占板面積。
設計一個(gè)超級電容
超級電容(SC)是什么?像任何電容一樣，一個(gè)超級電容基本上也是由兩塊并行的導電板構成的，中間隔以被稱(chēng)為電介質(zhì)的絕緣材料。電容的容值與導電板的面積成正比，與電介質(zhì)的厚度成反比。開(kāi)發(fā)超級電容的制造商通過(guò)采用多孔碳材料制造導電板以使得表面積最大，以及采用像分子那樣薄的電解液作為電介質(zhì)以將兩塊導電板之間距離減至最小，在最小化尺寸的情況下實(shí)現了更高的電容值。
采用這一方法，可以制造出容值為16mF～2.3F的電容。這些電容可等效為非常低的內部電阻或ESR(等效串聯(lián)電阻)，這使得它們可在最小化輸出電壓的同時(shí)提供高峰值電流脈沖。通過(guò)以相對較小的外形尺寸提供非常高的電容值，這些超級電容降低了系統對PCB板面積的需求。它們可以制造成任何尺寸和形狀，而且可在數秒內完成再充電，可將電池壽命延長(cháng)5倍，并允許設計師采用更小、更輕和更廉價(jià)的電池。
固有挑戰
不過(guò)，這一低ESR在充電過(guò)程中為設計師帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題。在任一系統中，電容在最初使用前都是放空的。隨后，當電源電壓施加以后，超級電容看起來(lái)就像是一個(gè)低值電阻。如果該電流不被控制或限制，就會(huì )導致一個(gè)巨大的尖峰電流。因此，設計師必須實(shí)現某種尖峰電流限制措施，以確保電池不會(huì )馬上耗盡。任何這種類(lèi)型的電路通常還需要短路、過(guò)壓和過(guò)流保護。
設計師面臨的挑戰是如何高效地將電池、DC/DC轉換器和超級電容連接起來(lái)，做到既能限制超級電容的尖峰充電電流，又能在負載之間不斷地對超級電容進(jìn)行再充電。能夠滿(mǎn)足超級電容充電要求的LED閃光燈驅動(dòng)器現在已經(jīng)在市場(chǎng)上出現，它可以使得設計師的工作更輕松，并節省PCB空間、成本和上市時(shí)間。數碼相機的LED閃光燈需要1～2A電流才能持續閃光120ms。
超級電容可用來(lái)儲存必需的電流，并在不分流主電池的情況下快速供電。與電池一起工作時(shí)，超級電容在峰值負載期間釋放其儲存的電流，在兩個(gè)峰值負載之間則進(jìn)行再充電。與純電池供電設備相比，帶超級電容的電源系統可提供高達2倍的電能，而且還可延長(cháng)電池的壽命。
很明顯，不管設計師在何時(shí)使用超級電容，他們都必須限制尖峰電流。此外，當電壓掉到LED閃光燈的工作電壓以下時(shí)，超級電容就需要再充電。當超級電容充滿(mǎn)電時(shí)，它必須與充電源斷開(kāi)。另外，它還需要短路保護、源過(guò)壓保護和過(guò)流保護。
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超級電容帶來(lái)的好處
超級電容可以大于500k的周期在數秒內完成再充電，并將電能儲存在靜電場(chǎng)中。由于完全充滿(mǎn)電時(shí)只有大負載電流才可能把電壓降得過(guò)低，因此超級電容的使用也減少了ESR和阻抗。
超級電容可以制造成任何尺寸和外形，不管是扁平型還是小尺寸。超級電容還具有很長(cháng)的壽命(10～12年)。與電池不同，它們具有非破壞性的開(kāi)路(高ESR)故障模式。如果一個(gè)過(guò)高電壓施加到該器件上，唯一的后果是ESR的輕微增加，并最終演變到開(kāi)路狀態(tài)。整個(gè)過(guò)程不會(huì )起火、起煙或爆炸。
設計解決方案
超級電容供電的LED閃光燈單元可以驅動(dòng)大電流LED，它提供的閃光亮度是標準電池供電LED閃光燈單元的許多倍，或持續時(shí)間超過(guò)氙氣燈。如圖1所示，AAT1282含有一個(gè)升壓轉換器，它用來(lái)將3.2～4.2V電池輸入電壓提升到穩定的5.5V。如果電池電壓為3.5V，且升壓轉換器效率是90%，那么電池需要提供3A以上的電流，才能維持一個(gè)2A閃光脈沖。這不是會(huì )導致電池保護電路關(guān)斷電池，就是會(huì )引起一個(gè)低電壓關(guān)斷，而此時(shí)電池仍具有大量的電能。
圖1 用超級電容為L(cháng)ED供電
這一解決方案還提供一些閃光燈管理功能，如電影模式和超級電容充電功能。該解決方案控制和調節來(lái)自手機電池源的電流、提升電池電壓和管理超級電容的充電，以控制和提供終端應用中的LED閃光燈所需要的大電流。
為更好地實(shí)現這一目標， AAT1282具有防止啟動(dòng)時(shí)過(guò)大尖峰電流沖擊的內置電路、一個(gè)固定的800mA輸入電流限制器、以及一個(gè)超級電容充滿(mǎn)電后的負載斷開(kāi)電路。其輸出電壓受限于內部過(guò)壓保護電路，可防止轉換器和超級電容免受一個(gè)開(kāi)路LED(開(kāi)路條件下)的損害。
在開(kāi)路狀態(tài)期間，輸出電壓上升并到達5.5V(典型值)，過(guò)壓保護電路關(guān)閉開(kāi)關(guān)電路，阻止輸出電壓進(jìn)一步升高。一旦開(kāi)路狀態(tài)解除，開(kāi)關(guān)電路馬上恢復工作?？刂破骰貧w到正常工作狀態(tài)，并維持一個(gè)平均輸出電壓。一個(gè)工業(yè)標準I2C串行數字輸入接口使能/鎖定LED，以及用高達16個(gè)針對更低光輸出要求的電影模式設置設定電影模式電流。
圖2 AAT1282的詳細電路原理
一個(gè)詳細的原理圖(見(jiàn)圖2)顯示超級電容周?chē)恍枰倭康脑骷?。一個(gè)0.55F、85mΩ的超級電容與AAT1282 LED閃光燈驅動(dòng)器一起使用時(shí)可提供9W的LED突發(fā)電能。為了達到很高的光亮度，LED閃光燈的驅動(dòng)電流介于1～2A之間。LED上的正向電壓(VF)可以上升到4.8V。如果我們包括電流控制電路的200mV開(kāi)銷(xiāo)，你就很容易看到在閃光事件期間總的負載電壓是如何上升到5V的，這也證明了5.5V輸出電壓是有必要的。
圖3 不同驅動(dòng)條件下的LED閃光測試結果
圖3顯示了采用2個(gè)以1A電流驅動(dòng)的LED閃光燈和1個(gè)以2A電流驅動(dòng)的LED閃光燈的測試結果。正如所見(jiàn)到的一樣，超級電容可以很容易地提供閃光持續120ms所需的電流，同時(shí)保持電源電壓充分地高于LED的VF電壓。在兩次閃光之間，超級電容以一個(gè)較慢的速率再充電，充電時(shí)間在外部設定，可針對不同的電池尺寸和化學(xué)原理進(jìn)行優(yōu)化。圖4顯示了閃光功能和電影模式選項的數字控制。
圖4 閃光功能和電影模式選項的數字控制
超級電容很少用在便攜式系統中。它們的應用通常局限于備份或待機，這些功能使用相對較低電流，并需要相當長(cháng)充電時(shí)間。通過(guò)整合最新推出的升壓轉換器和超級電容，設計師現在可以創(chuàng )建緊湊的解決方案。
