如今手機(jī)具備越來(lái)越豐富的功能，耗電量也隨之增加。兩三年前流行的VGA成像器目前正在被具備320萬(wàn)像素且配備更高電流LED閃光燈的成像器取代(有些甚至高達(dá)800萬(wàn)像素)；可進(jìn)行多媒體錄音的高電耗立體聲驅(qū)動(dòng)器，正逐漸取代低電耗單聲道音頻驅(qū)動(dòng)器。隨著3G網(wǎng)絡(luò)的普及，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸呈指數(shù)增長(zhǎng)，這就需要手機(jī)中配備更多的射頻功放來(lái)處理語(yǔ)音呼叫和數(shù)據(jù)流。遺憾的是，這些功能在使用時(shí)都會(huì)消耗大量的電池電流(1A+)。如果同時(shí)使用這些功能，就會(huì)導(dǎo)致電池電流的經(jīng)常性故障，或者出現(xiàn)手機(jī)故障關(guān)機(jī)現(xiàn)象。

針對(duì)峰值電池電流出現(xiàn)的問(wèn)題，其解決方案包括謹(jǐn)慎管理脈沖計(jì)時(shí)以及減少對(duì)整體性能的要求(例如限制閃光燈電流或音量大小)。但是，這兩種解決方案都限制了手機(jī)性能的延展，因此并不被提倡。另外還有一種方法可供選擇，那就是創(chuàng)建一個(gè)基于超級(jí)電容器的電源子系統(tǒng)，而且超級(jí)電容器管理芯片能夠幫助應(yīng)用程序完全復(fù)原。

目前系統(tǒng)面臨的問(wèn)題

針對(duì)鋰離子電池的電流限值(約為2A-3A)，設(shè)計(jì)者必須謹(jǐn)慎管理系統(tǒng)中不同負(fù)載的電流需求分配，避免出現(xiàn)過(guò)電流現(xiàn)象。此外，當(dāng)電池電壓降低并接近系統(tǒng)阻斷電壓時(shí)，與電池ESR相連的強(qiáng)電流脈沖會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障關(guān)機(jī)。

舉例來(lái)說(shuō)，如果在進(jìn)行LED閃光操作的同時(shí)進(jìn)行GSM傳輸，那么脈沖電流的總需求量很容易超過(guò)3A(GSM傳輸為2A，LED閃光操作為1.5A)。

為了防止發(fā)生過(guò)電流現(xiàn)象，許多手機(jī)設(shè)計(jì)要么采用降低額定值的閃光電流，從而將輸入電流水平降低到可控水平；要么在閃光燈LED驅(qū)動(dòng)器芯片中采用傳輸中斷引腳。傳輸中斷信號(hào)會(huì)在射頻功放和閃光燈驅(qū)動(dòng)器之間提供一種同步機(jī)制。當(dāng)射頻功放在閃光操作期間進(jìn)行傳輸時(shí)，閃光中斷將啟動(dòng)，從而使閃光電流降低或完全關(guān)閉。這一功能可防止電池過(guò)載。如果采用滾動(dòng)快門，那么拍出的照片會(huì)出現(xiàn)暗線或暗部。如此看來(lái)，兩種方法都會(huì)造成照片質(zhì)量下降。

圖1顯示了大量脈沖負(fù)載施加到電池上產(chǎn)生的影響，著重顯示了電池ESR壓降以及總脈沖電池電流的量級(jí)。假設(shè)現(xiàn)在有一塊100mΩ的電池ESR，負(fù)載包括1.2A的LED閃光脈沖、2A的GSM傳輸脈沖和立體聲D類放大器供電，那么峰值脈沖電流可能會(huì)超過(guò)4A，并造成電池組電壓瞬間降低400mV。

F1: 大量脈沖負(fù)載施加到電池上產(chǎn)生的影響。

為了避免產(chǎn)生這種壓降，必須降低閃光電流和音頻功率，從而將峰值電流降低到系統(tǒng)可以承受的范圍內(nèi)，此外也可采用增加電池容量的方法。而添加一個(gè)超級(jí)電容器，可以在無(wú)需增加電池容量的情況下有效提高電池的脈沖電流處理能力，同時(shí)還可協(xié)助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全部功能。

什么是超級(jí)電容器？

超級(jí)電容器的準(zhǔn)確名稱，是電化學(xué)或電雙電層電容器(具體名稱取決于制造商)，簡(jiǎn)稱EDLC。超級(jí)電容器的表現(xiàn)與傳統(tǒng)電容器(包括多層陶瓷電容器、鉭電容器、電解電容器等)相似，但能量密度更高。這是由具有極大的電荷存儲(chǔ)表面積的多孔炭電極與專門的電解質(zhì)提供的極薄的板分離層相結(jié)合而形成的。

EDLC的電容值不適合置于超薄便攜系統(tǒng)(應(yīng)用于氙氣閃光燈的電解電容器的典型厚度為6mm以上，與之相比，EDLC的典型厚度約為2mm-3mm)。對(duì)最大額定電壓為2.75V-2.85V的單元電容器而言，EDLC的電容值可以達(dá)到180mF-1.8F。本文將重點(diǎn)討論額定電壓為5.5V-5.7V(兩個(gè)單元EDLC串聯(lián))以及電容值為425mF-550mF的雙單元 EDLC。

在何處放置超級(jí)電容器？

在便攜系統(tǒng)中使用大電容具有很多優(yōu)勢(shì)。超級(jí)電容器所在的位置會(huì)對(duì)電池供電電流產(chǎn)生顯著影響。

如果將超級(jí)電容器與系統(tǒng)電池并排放置，那么在LED閃光驅(qū)動(dòng)器或射頻傳輸吸收大電流時(shí)，超級(jí)電容將有助于降低電池的峰值電流。超級(jí)電容器和電池提供的電流量與其ESR值成反比。較低的ESR(這種情況下電池和超級(jí)電容器互相組合)會(huì)產(chǎn)生較大的電流。超級(jí)電容器的ESR值可以低至50mΩ，而典型的鋰離子電池的ESR值為200mΩ-300mΩ。圖2的一組公式顯示了來(lái)自電池的初始電流和來(lái)自超級(jí)電容器的電流之間的比較。

圖2

隨著負(fù)載脈沖的持續(xù)增加，超級(jí)電容器的放電會(huì)使來(lái)自超級(jí)電容器的電流減少，同時(shí)使來(lái)自電池的電流增加。

采用并聯(lián)超級(jí)電容器確實(shí)有助于防止故障關(guān)機(jī)，但是這種配置也存在一些問(wèn)題。為了避免損壞電池，應(yīng)在電池與超級(jí)電容器之間布置某些形式的限流電路。當(dāng)超級(jí)電容器完全放電之后，會(huì)呈現(xiàn)出對(duì)地短路，并將從電池中吸收盡可能多的電流。

F3: 共享負(fù)載可以最大限度地減少脈沖負(fù)載造成的電池ESR值的降低，從而有可能擴(kuò)展電池的可用范圍。

限流電路的構(gòu)建非常簡(jiǎn)單，例如，可以通過(guò)添加串聯(lián)電阻來(lái)防止峰值電流低于電池允許的最大值，這樣做行的通，但是較大的RC時(shí)間常數(shù)會(huì)降低系統(tǒng)的整體效率，并影響電容器的充電時(shí)間。另一種限流電路，是將一個(gè)限流線性電壓調(diào)節(jié)器(LDO)置于超級(jí)電容器和電池之間，從而為超級(jí)電容器充電，并控制峰值電池電流。使用LDO時(shí)，由于其無(wú)法提升電池電壓，因此超級(jí)電容器的目標(biāo)電壓必須始終低于電池電壓。第三種選擇(見(jiàn)后文)是在電池和超級(jí)電容器之間采用某些升壓變換器，形成固定的電壓軌，從而對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行再充電，并滿足超級(jí)電容器系統(tǒng)的平均電流要求。

超級(jí)電容器系統(tǒng)

圖4中的例子采用了與圖1相同的負(fù)載配置和負(fù)載控制器，利用超級(jí)電容器充電器/控制器將電池峰值電流限制在可控水平(約500mA)，并將電池ESR造成的壓降保持在50mV左右。在這個(gè)例子中，超級(jí)電容器和控制器將峰值電流和ESR壓降減少了85%以上，同時(shí)沒(méi)有削弱子系統(tǒng)的負(fù)載性能。

圖4

應(yīng)用中對(duì)超級(jí)電容器管理芯片有哪些要求？

采用雙單元超級(jí)電容器時(shí)需要滿足一些采用其它電介質(zhì)電容器所不需要的特殊要求。EDLC管理芯片必須能夠符合這些要求，以切實(shí)保護(hù)EDLC，并控制超級(jí)電容器電源子系統(tǒng)。

1. 超級(jí)電容器子系統(tǒng)管理芯片的輸入電流限值，必須與移動(dòng)設(shè)備中的電池和其他系統(tǒng)相一致。超級(jí)電容器子系統(tǒng)應(yīng)支持高電流脈沖負(fù)載，同時(shí)又不中斷正常的系統(tǒng)功能。產(chǎn)品設(shè)計(jì)者必須首先為不同電源域(例如基帶處理器、顯示屏)的設(shè)計(jì)制定預(yù)算。

例如，如果所用電池的電流限值為2A，并且與超級(jí)電容器無(wú)關(guān)的功能可以在任一特定時(shí)間達(dá)到1.4A，那么選擇輸入電流限值為600mA的超級(jí)電容器管理芯片就可以避免觸發(fā)電池過(guò)流保護(hù)裝置。

開(kāi)關(guān)電容升壓轉(zhuǎn)換器和同步感應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器，比異步感應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器更適于對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電。異步轉(zhuǎn)換器無(wú)法主動(dòng)斷開(kāi)輸出端和輸入端。如果超級(jí)電容器放電直至低于電池電壓值，并且電池連接到了系統(tǒng)，那么將無(wú)法限制充電電流，因?yàn)?a target="_blank">肖特基二極管開(kāi)始充當(dāng)導(dǎo)體，而電流的流動(dòng)也將不受控制。同步升壓轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電容升壓轉(zhuǎn)換器都具有內(nèi)控式場(chǎng)效應(yīng)管，可限制流入超級(jí)電容器的電流。

2. 超級(jí)電容器管理芯片必須能夠在其額定輸出電流限值內(nèi)處理輸出短路。電容為0.5F的超級(jí)電容器完全放電之后，就如同充電周期之初的對(duì)地短路。多數(shù)電源管理芯片都基于升壓體系(無(wú)論是感應(yīng)電容器還是開(kāi)關(guān)電容器)，會(huì)在輸入電流限值內(nèi)運(yùn)行，直至電容器接近其目標(biāo)輸出電壓。這就要求在啟動(dòng)時(shí)管理芯片能夠耗散設(shè)備的大量功率。

例如，如果電池電壓為4.0V，管理芯片的輸入電流限值為500mA，假設(shè)超級(jí)電容器完全放電(VCAP=GND或0V)，則芯片必須在最初耗散設(shè)備中的2W功率，并繼續(xù)充電過(guò)程。

隨著超級(jí)電容器電壓的升高，芯片的耗散功率將會(huì)減少。

3. 子系統(tǒng)進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，子系統(tǒng)管理芯片應(yīng)使升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端處于高阻態(tài)。這將防止EDLC在不使用時(shí)產(chǎn)生放電。

4. 需要為雙單元超級(jí)電容器提供一個(gè)單元電壓平衡方案，以避免每個(gè)EDLC單元出現(xiàn)過(guò)壓。簡(jiǎn)單的電阻器就能用來(lái)平衡單個(gè)EDLC單元的電壓，但是會(huì)繼續(xù)吸收超級(jí)電容器的電流。首選的方法，是采用主動(dòng)平衡方案，即利用放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)平衡終端，從而維持EDLC單元的平衡。有效的主動(dòng)平衡方案能夠從特定的EDLC單元獲取和吸收電流，以確保每個(gè)單元上的電壓等于總輸出電壓的一半。

圖5

閃光燈

除了上文提到的優(yōu)勢(shì)，采用超級(jí)電容器子系統(tǒng)在僅連接至電池時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)在超出閃光燈驅(qū)動(dòng)器所允許的電流水平下驅(qū)動(dòng)LED閃光燈陣列。根據(jù)采用的電容值以及LED的數(shù)量，閃光燈電流可以超過(guò)5A并持續(xù)33ms。在該電流水平下，LED陣列可以產(chǎn)生接近于氙氣閃光燈的曝光值(lx*s)，解決方案更加纖薄，并支持持續(xù)的電影模式，而這點(diǎn)是氙氣閃光燈無(wú)法做到的。此外，LED還可以在較低電流水平下持續(xù)驅(qū)動(dòng)，以支持電影模式光線，這也是氙氣燈無(wú)可比擬的。

缺點(diǎn)

盡管超級(jí)電容器子系統(tǒng)具有上述種種優(yōu)勢(shì)，但是還存在一些不太理想的設(shè)計(jì)考量。首先是電容器本身的物理尺寸。盡管超級(jí)電容器比基于氙氣的解決方案更纖薄，但是一個(gè)可以處理5.5V額定操作電壓的典型超級(jí)電容器的平均高度為2mm-3mm，所占面積為360mm2- 00mm2。而將該尺寸元件置于移動(dòng)設(shè)備中，目前尚有一定難度。

此外，目前的超級(jí)電容器無(wú)法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)回流裝配，需要額外的裝配流程，這會(huì)造成生產(chǎn)成本的增加。再者，超級(jí)電容器在高溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)膨脹，導(dǎo)致元件受損，并出現(xiàn)壽命問(wèn)題。

結(jié)論

在便攜設(shè)備中運(yùn)用超級(jí)電容器可以同時(shí)支持多種高電流負(fù)載脈沖。在支持射頻功放傳輸脈沖、高功率立體聲驅(qū)動(dòng)器和LED照相機(jī)閃光燈的同時(shí)，可以使電池電流保持在易于控制的水平，從而有助于消除許多設(shè)計(jì)難題(如時(shí)間限制、電池ESR顯著下降)。運(yùn)用上述標(biāo)準(zhǔn)正確評(píng)估電容器驅(qū)動(dòng)器/控制器，將有助于使所有設(shè)計(jì)都能充分利用超級(jí)電容器子系統(tǒng)，并最大限度地降低設(shè)計(jì)周期后期出現(xiàn)的難題。隨著超級(jí)電容器性能的提高(例如額定電壓和容量提升、ESR和物理尺寸降低)，手機(jī)的高級(jí)功能將越來(lái)越多，從而提供更加豐富的用戶經(jīng)驗(yàn)。