中心議題：
- 介紹降低傳統電容尺寸的幾個可選方案
- 討論采用超級電容器所面臨的新挑戰
解決方案：
- 采用超級電容，必須限制浪涌電流
- 使用工業標準的限流“智能開關”，為超級電容充電
- 功率半導體制造商們開發出新型器件，解決超級電容安全充電的所有問題
在一些電池供電的系統或有功率限制的端口設計中，可用平均電流有限，而負載要求較高峰值電流，設計師需要小心應付，確保系統功率不要超過主電源的容量。一般情況下，可用的峰值電流遠小于負載的要求。對于不斷增長的PC卡、CF、PCI或USB格式無線數據卡尤其如此，這些數據卡廣泛用于GSM、GPRS、TD-CDMA和WiMAX數據通信。
這些無線協議均采用TDMA技術，它在發射期間需要大的峰值電流。例如，GSM功率放大器發射時要求的峰值電流可以達到2A。在接收期間，電流小得多（約100mA）。這種大的范圍迫使設計師采用電容來“均化”從電源吸出的電流，即在不用時存儲能量，而在需要時釋放出峰值電流。
設計挑戰
傳統電容技術或者需要大的外形尺寸，或者要并聯多只器件。為降低方案的尺寸，設計師一般會轉用大容值電容，或所謂的“超級”電容，它能以相對較小的尺寸提供大容值。然而，用超級電容也會帶來特殊的設計挑戰。
雖然超級電容較低的等效串連電阻（ESR）有助于支持大峰值電流，但卻可能為充電帶來問題。在任何系統中，超級電容初始時都是放完電的狀態。當第一次施加供電電壓時，超級電容看來像一只低阻值電阻。如果不加控制或限制，就會帶來一個巨大的浪涌電流。顯然，只要設計師采用超級電容，就必須限制浪涌電流。
有幾種可選方案，最簡單的方法是使用一只串聯電阻。在PC卡中，成功完成“主機/卡”協商之前可以吸入的最大電流為70mA。假設PC卡控制器需要一半電流來完成協商任務，則在起動時，要么必須將超級電容與電源斷開，要么用一只約100?的電阻作限流（R=V/I）。以這種速率，如果電容以約五倍恒流完全充電，則電容會在大約6.7分鐘內完全充好。
有一種更加可行的方案，即讓PC卡在完成主控與卡之間的協商以后，再從電源獲得更多電能。然后就可以用較低阻抗的電阻增加充電電流。開始時，電容的電壓仍然為低，電阻的功耗非常大。當電容開始充電，且電壓開始上升時，功耗減小，可以降低電阻值。
圖1是一個電路實例，它包括一串在電容充電周期內切換的遞減電阻值。開關點的時序可以定時（對要求非常精確、昂貴電阻的情況），也可以用各種附加的電壓檢測器監控。還有個問題，當電容完全充電，且拔下PC卡時，存儲在電容中的能量足以毀壞連接器的管腳。
智能開關
另外一種為超級電容充電的方式是使用工業標準的限流“智能開關”。這些所謂的智能開關（Smartswitch）采用一支集成的P溝道或N溝道MOSFET作為負載開關，并附帶有監控和保護電路，對輸出限流。多數產品帶有熱過載保護功能，因此，如果在限流過程中，芯片溫度超過其額定最大值，則器件關斷。隨著芯片的冷卻，器件會重新導通，作低頻熱振蕩，直到高耗能周期結束為止。
在超級電容應用中，智能開關導通，并由于大浪涌電流而立即開始限流。這種大浪涌電流產生一個很高的溫升，驅使器件進入熱關斷，此時產生前述的熱振蕩。這不算是問題，因為所有限流智能開關限制都設計為能承受這種振蕩。不過，當開關關閉期間，電容不會充電，因此增加了充滿電的時間。另外，由于沒有附加電路，無法檢測電容充滿情況，也無法告訴系統已準備好開始傳輸。
最近，功率半導體制造商們開發出了一種新型器件，解決了在最短時間為超級電容安全充電的所有問題。這些高度集成的器件帶一個P溝道MOSFET負載開關，并集成有限流、保護PC卡連接器、電容連續充電、系統準備就緒可以使用以及決定何時開始電容充電所需要的全部電路。這些功能被集成在一個12PIN的TSOPJW封裝內，器件占用的PCB板空間不到9mm2。
圖2為使用某種這類新型器件的一個應用。該器件有兩個外部可編程限流，可用于主機/卡協商期間提供不同的限流能力。在上電時，器件在電源和超級電容之間提供一個低阻路徑。如果熱耗散低，器件將最終進入限流狀態，且超級電容將繼續充電，直至達到約98%的最終值。在這個點上，系統準備好（system ready）信號將改變狀態，告知系統可以開始傳輸。
如果熱耗散高，則芯片溫度將快速上升。當溫度升至內部設置的極限值時，器件會起動一個內部數字電源循環，將電流降至某個安全值。電源循環會以固定周期探測片芯的溫度，以限流設置點1/32為步長增、減電流，將片芯溫度調整到大約100°C。這個功能確保超級電容所有時候都在充電，在保護器件的同時減少充電時間。
在多數應用中，通過改變超級電容的大小來減少傳輸中的電壓降，并在接收期間允許充電。通過增加可調遲滯，該器件使用戶能夠設定超級電容充滿的關鍵點。它可以設定為從低于滿充200mV到零之間的任何值。
過去，便攜系統中的超級電容只限于備份或等待應用，電流小，充電時間一般很長。隨著越來越多數據卡用于便攜式應用，設計師必須特別仔細地確保充電時間為最短，而系統解決方案仍保持小體積。新一代智能開關集成了限流、保護PC卡連接器、超級電容連續充電和告知系統電容已完備等功能所需全部電路，為開發人員提供了開發一種完整解決方案，同時減少元件數并大幅度縮小系統體積。
作者介紹
Phil Dewsbury是Advanced Analogic Technologies Inc. (AnalogicTech)系列產品總監。他在業界有28年多的經歷，曾在多家功率管理半導體公司擔任高級職位。
