MOSFET可降低超級電容器的工作偏置電壓，平衡電路的功耗，并可以根據溫度、時(shí)間和環(huán)境變化而自動(dòng)調節。

　　在能量采集、辦公自動(dòng)化和備份系統等一系列新產(chǎn)品設計中，超級電容器(supercapacitor)引起了設計團隊的關(guān)注。這些超級電容器電池具有高效存儲能力，可根據需要快速釋放能量。為確保峰值性能和較長(cháng)的產(chǎn)品生命周期，超級電容器的電壓必須得到平衡。如果由于電池之間的泄漏電流差異而發(fā)生不平衡，則可能觸發(fā)能量耗散，導致超級電容器電池過(guò)早失效。

　　超級電容器，也稱(chēng)為超電容(ultracapacitor)，具有高功率、快速充/放電、峰值功率削減和備用電源等功能特性，適合關(guān)鍵型數據保護和電池備份應用。對于供電需求不超過(guò)30秒的應用，它們正成為一種流行的選擇。

　　超級電容器也提高了能量密度。隨著(zhù)電池逐漸增加功率密度，它們可以更有效地緩沖和儲存能量，從而最大化能量收集工作。

　　有個(gè)問(wèn)題：每個(gè)超級電容器都有電容、內阻和漏電流方面的容差。這可能會(huì )導致電池電壓不平衡。必須對超級電容器進(jìn)行平衡，以確保電壓不超過(guò)超級電容器的最大額定電壓。

　　電源系統設計人員應選擇同一制造商的超級電容器，以確保初始電池電壓值在同一范圍內。其次，必須補償由單個(gè)電池中的漏電流引起的任何電池電壓不平衡。

　　有兩種類(lèi)型的平衡方法可用于調節超級電容器電池的電壓：主動(dòng)式和被動(dòng)式。被動(dòng)平衡方法會(huì )用到低值電阻，這種方法有點(diǎn)耗能，并且不能隨溫度變化而調節。主動(dòng)式平衡方法使用運算放大器(op-amp)，或使用MOSFET進(jìn)行電流平衡。

　　以下是兩個(gè)超級電容器串聯(lián)在一起的情景。第一種場(chǎng)景是超級電容器具有自動(dòng)平衡功能，第二種場(chǎng)景是超級電容器不具備自動(dòng)平衡功能。這兩種設計方案之間的差異將證明，需要一種自動(dòng)校正漏電流變化影響的平衡方法。

　　沒(méi)有自動(dòng)平衡的超級電容器

　　漏電流會(huì )導致電壓不平衡和功率損耗。電源系統設計人員必須補償每個(gè)超級電容器電池的漏電流。否則，如果電壓超過(guò)電池額定電壓一段時(shí)間，超級電容器的工作壽命可能會(huì )縮短甚至永久損壞。

　　下圖(圖1)展示了兩個(gè)串聯(lián)連接的超級電容器，沒(méi)有借助自動(dòng)平衡機制。它描述了漏電流如何隨差分電壓的變化而上下移動(dòng)。如果不平衡，這一問(wèn)題可能會(huì )因過(guò)壓效應而導致故障。

　　圖1：兩個(gè)串聯(lián)連接的超級電容器視圖，沒(méi)有自動(dòng)平衡機制

　　圖1顯示，在2.3 V時(shí)，上面的超級電容器漏電流為1.6μA，而下面的超級電容器漏電流為0.8μA。如果這兩個(gè)超級電容器不平衡和均衡漏電流，那么下面的超級電容器可能由于過(guò)壓而永久失效。
　　

圖2：兩個(gè)串聯(lián)的超級電容器使用MOSFET芯片實(shí)現卓越的自動(dòng)平衡

    圖2示出了MOSFET如何通過(guò)降低超級電容器的工作偏置電壓來(lái)平衡超級電容器，從而平衡電路的功耗。

　　ASSUME: 假設

　　1. Charge voltage of 4.6V 充電電壓為4.6V

　　2. Cell capacitance C1=C2 電池電容C1 = C2

　　3. Zero is either slightly positive, zero, or slightly negative power burn.：零點(diǎn)是略微正、零或略微負的功耗。

　　沒(méi)有自動(dòng)平衡的超級電容器由上面的水平虛線(xiàn)表示，可能由于過(guò)壓而損壞電池。水平實(shí)線(xiàn)表示使用MOSFET器件的電流平衡操作。當MOSFET連接在陣列中的超級電容器上時(shí)，由另一個(gè)超級電容器的漏電流引起的電壓小幅上升會(huì )導致該MOSFET的導通電阻(RDS(ON))大幅下降。這會(huì )引起超級電容器的電流增加，隨后降低電壓。

　　自動(dòng)平衡的原理是利用MOSFET器件的自然閾值特性。在閾值電壓下，MOSFET導通并開(kāi)始傳導電流。該特性可確保MOSFET芯片幾乎很少或沒(méi)有額外的漏電流。

　　圖2還顯示了運算放大器電壓平衡方法如何迫使兩個(gè)超級電容器單元在2.3V的中點(diǎn)達到相同的電壓。但是，這樣做時(shí)，兩個(gè)電池會(huì )消耗一些功率。如果兩個(gè)電池的電容沒(méi)有充分平衡，則會(huì )導致額外的功耗。因此，在運算放大器自動(dòng)平衡的過(guò)程中存在顯著(zhù)的能耗。此外，運算放大器也會(huì )通過(guò)其電路網(wǎng)絡(luò )自行消耗電能。

　　使用運算放大器，如果兩個(gè)電池的電容值之間存在不匹配，則會(huì )導致功耗。與運放不同的是，MOSFET可通過(guò)互補的反向電流水平來(lái)實(shí)現自然的電池平衡。

　　另外，圖2中的超級電容器電池1和電池2是可以互換的。因此，不知道哪一個(gè)有更大的漏電流。一些電流來(lái)自MOSFET本身，而不是超級電容器電池2。

　　基于MOSFET的漏電流平衡機制是完全自動(dòng)化的，幾乎適用于所有超級電容器。這種自動(dòng)平衡技巧不需要額外的電流消耗，并且可以根據溫度、時(shí)間和環(huán)境變化而自動(dòng)調節。

　　從MOSFET到線(xiàn)路板

　　即插即用型印刷電路板(PCB)可以安裝MOSFET，以自動(dòng)平衡超級電容器電池的漏電流和電壓。單個(gè)或多個(gè)MOSFET都可以安裝到超級電容自動(dòng)平衡(SAB)PCB上，以自動(dòng)平衡超級電容器電池。

　　圖3：尺寸為0.6×1英寸的SABMB2線(xiàn)路板的方框圖，用于超級電容器自動(dòng)平衡

　　例如，ALD的即插即用型SAB PCB可用于原型設計或生產(chǎn)設計。這些電路板可以級聯(lián)形成一個(gè)系列鏈，范圍從2到數百個(gè)，用于平衡超級電容器堆棧。