如何使用單一超級電容作為 5 V 電源的備援電源

備援電源解決方案原先僅限用於任務關鍵裝置，然而現在在工業、商業和消費者最終產品的電子應用中有廣大需求。雖然有多種儲能器選擇，但超級電容能在主電源中斷時，提供最緊湊且能量密集的解決方案。例如，當主電源停電或更換電池時。

然而，超級電容最高只能提供 2.7 V 的電壓，成為設計挑戰。這表示需要多個超級電容，且每個超級電容都有關聯的電池平衡和升壓或降壓電壓轉換器，以便為 5 V 電源軌提供穩壓電源。這會讓電路複雜且精細；不但相當昂貴，且會佔用過多的板空間。

本文將比較電池和超級電容，並解釋為何後者為低電壓、緊湊型電子應用提供多項技術優勢。接著本文將解釋如何僅使用單一電容結合一個可逆式降壓／升壓電壓轉換器，為 5 V 電壓軌供電，設計出簡單且優雅的解決方案。

電池與超級電容的比較

不中斷電源成為現代電子裝置的使用者體驗是否令人滿意的關鍵要素。電子產品如果沒有持續供電，不僅會停止運作，還會遺失重要資訊。例如，連接到主電源的 PC 如果斷電，將遺失其揮發性記憶體中保存的資料。或者，胰島素幫浦在更換電池期間，其揮發性記憶體可能會遺失重要的血糖讀數。

為防止這種情況，可加入一個備援電池來儲存能量，如果主電源出現故障，可由備援電池釋放能量。鋰離子 (Li-ion) 電池是一項成熟的技術，具有非常好的能量密度，允許相當緊湊的裝置提供長時間的備援電源。

但任何電池無論其組成化學成分，都有獨特特性，可能會在特定情況下出現問題。例如，電池較重、充電時間較長 (如果經常停電，這可能會是問題)、充電有次數限制 (增加維護成本)，以及電池的化學物質可能會帶來安全和環境危害。

備援電源的替代解決方案是超級電容 (supercapacitor/ultracapacitor)。超級電容在技術上稱為雙電層電容 (EDLC)。該元件使用對稱、電化學穩定的正負碳電極打造。電極由一個絕緣的離子滲透隔板隔開，此隔板建置於一個裝有有機鹽／溶劑電解質的容器中。電解質用於最大程度提高離子電導率和電極潤濕性。超級電容結合大表面積活性碳電極與極小電荷隔板，可達到比傳統電容高出許多的電容量 (圖 1)。

圖 1：超級電容使用對稱的正負碳電極，由浸入電解質中的絕緣離子滲透隔板隔開。大表面積電極和極小電荷隔板的組合可產生高電容量。(圖片來源：Maxwell Technologies)

藉由將電解質逆向吸附到大表面積碳電極上，以靜電方式儲存電荷。電荷分離發生在電極／電解質界面的極化上，產生同名的雙層。這種機制具有高度可逆性，允許超級電容充電和放電數十萬次，儘管隨著時間的推移電容量會有所降低。

超級電容依賴靜電機制來儲存能量，因此其電氣效能比電池更可預測，且其構造材料更可靠且不易受溫度變化影響。在安全方面，超級電容內的揮發性物質比電池少，並且可以完全放電達到安全運輸。

另一個優勢在於，相較於二次電池相比，超級電容的充電速度要快得多。因此，如果在第一次故障後不久再次斷電，備援電源就緒可用，且不會過度充電。超級電容還可以耐受更多次充電週期，進而降低維護成本。

此外，超級電容提供比電池高出許多的功率密度 (單位時間內可以儲存或傳輸多少功率)。這不僅能確保快速充電，還允許在需要時產生高電流突發，因此可在更多應用中用作備援電源 (圖 2)。此外，超級電容的有效串聯電阻 (ESR) 比電池低許多。如此能夠更有效率提供電力，而不會有過熱的危險。典型的超級電容功率轉換功效大於 98%。

圖 2：充電電池可以在適度電流下長時間供電，但充電需要很長的時間。相較之下，超級電容以高電流快速放電，但也可以快速充電。(圖片來源：Maxwell Technologies)

與充電電池相比，超級電容的主要缺點是它們的能量密度 (每單位體積儲存的能量) 相對較低。目前的技術能讓相同體積的鋰離子電池比超級電容儲存 20 倍的能量。隨著超級電容採用新材料，此差距正在縮小，但在這幾年內可能還是維持這個情形。超級電容的另一個顯著缺點是其成本比鋰離子電池高出許多。

超級電容的設計注意事項

電子產品若要依靠超級電容提供備援電源，設計人員需瞭解如何選擇最佳組件以達成可靠的能量儲存和傳輸以及長壽命。

在規格書上首先要查看溫度對電容量和電阻值的影響。良好的設計方式是選擇在最終產品的預期工作溫度範圍內變化很小的裝置，以便需要備援電源時，可提供穩定的電壓及有效提供能量。

超級電容的壽命主要由工作電壓和溫度的綜合影響決定 (圖 3)。超級電容很少會有災難性故障。不過其電容量和內阻會隨時間變化，並逐漸降低效能，直到組件不再能夠滿足最終產品的規格。通常在最終產品生命週期之初，效能下降較多，但會隨著最終產品老化而逐漸減少。

圖 3：更高的溫度和施加的電壓會縮短超級電容的壽命。(圖片來源：Elcap，CC0，來自 Wikimedia Commons，經作者修改)

超級電容用於備援電源應用時，會長時間保持工作電壓，只會偶爾需要釋放其儲存的能量。這最終會影響效能。規格書會指出在典型工作電壓及不同溫度下，電容量隨時間的降低量。例如，在 25˚C 下保持 2.5 V 、88,000 小時 (10 年) 的超級電容，其電容量可能會降低 15%，內阻可能會增加 40%。為具有長使用壽命的最終產品設計備援裝置時，應考慮到此效能下降因素。

電容的時間常數是裝置達到完全充電的 63.2% 或放電到完全充電的 36.8% 所花費的時間。超級電容的時間常數約為一秒；這比電解電容短得多。由於此時間常數很短，設計人員應確保備援電源超級電容不會暴露在連續漣波電流中，否則可能因此受損。

超級電容可以在 0 V 和其最大額定電壓之間運作。雖然在最寬廣的電壓範圍內運作可以有效利用超級電容的可用能量和儲存電力，但大多數電子元件都有一個最低電壓閾值。此最低電壓要求限制可以從電容中汲取的能量。

例如，儲存在電容中的能量為 E = ½CV²。從這個關係式算出，如果系統在電容額定電壓的一半 (例如 2.7 至 1.35 V) 下運作，則大約取用 75% 的可用能量。

使用多個超級電容的設計挑戰

超級電容的優勢使其適合為各種電子產品提供備援電源，不過設計人員還是必須警惕其設計挑戰。對於沒有相關經驗的工程師而言，備援電源電路可能非常不易實作。造成複雜性的最大原因在於商用超級電容的額定電壓約為 2.7 V，因此要提供典型的 5 V 電源軌，必須串聯兩個超級電容 (圖 4)。

圖 4：商用超級電容的額定電壓約為 2.7 V，因此要提供典型的 5 V 電源軌，必須串聯兩個超級電容，導致設計過程更複雜。(圖片來源：Maxim Integrated)

雖然此解決方案可行，但由於需要主動或被動電池平衡，因此會有額外的成本和複雜性。兩個或多個標稱相同且充滿電的電容，由於電容容差、漏電流、ESR 的不同，兩端的電壓也可能不同。此電壓不平衡會導致備援電路中其中一個超級電容提供比另一個更大的電壓。隨著溫度升高和／或超級電容老化，此電壓不平衡會造成其中一個超級電容兩端的電壓超過裝置的額定閾值，進而影響使用壽命。

低工作週期應用可為每個電池並聯一個旁路電阻，達到電池平衡。電阻值為允許任何電流支配總超級電容漏電流的值。此技術可確保不用將超級電容之間等效並聯電阻的任何變化納入考量。例如，如果備援電路中超級電容的平均漏電流為 10 μA，則 1% 的電阻將允許旁路 100 μA 的電流，將平均漏電流提高到 110 μA。如此，此電阻能有效將超級電容之間的漏電流變化從百分之幾十減少到僅百分之幾。

所有並聯電阻相當匹配之下，相較於具有較低電壓的超級電容，任何具有較高電壓的超級電容將透過其並聯電阻，以更高的速率放電，即能在所有串聯的超級電容中平均分配總電壓。針對高負載應用，則需要更精細的超級電容平衡。

使用單一超級電容提供 5 V 電源

如果只使用單一而不是多個超級電容，則可降低備援電源電路的複雜度，且佔用更少空間。此配置可消除對超級電容平衡的需求。然而，單一元件的 2.7 V 輸出需要使用升壓穩壓器來提升，以便產生足夠的電壓來克服二極體兩端的壓降，並為系統提供 5 V 電壓。超級電容由充電裝置充電，並在需要時透過升壓轉換器放電。二極體能讓主電源或超級電容為系統供電 (圖 5)。

圖 5：在備援電源電路中使用單一超級電容無需進行電池平衡，但需要升壓穩壓器來提高超級電容的輸出電壓。(圖片來源：Maxim Integrated)

更優雅的解決方案是使用單一電容輔以專用電壓轉換器，例如 Maxim Integrated 的 MAX38888 或 MAX38889 可逆式降壓-升壓穩壓器。前者提供 2.5 V 至 5 V 和高達 2.5 A 的輸出，後者提供 2.5 V 至 5.5 V 、3 A 的輸出 (圖 6)。

圖 6：MAX38889 (或 MAX38888) 可逆式穩壓器用於超級電容電源備援電路時，無需單獨的充電器和升壓元件及二極體。(圖片來源：Maxim Integrated)

MAX38889 是一款靈活的儲存電容或電容組備援穩壓器，用於在超級電容和系統電源軌之間高效率傳輸功率。有主電源且其電壓高於最小閾值系統電源電壓時，穩壓器在充電模式下運作，並以最大 3 A 峰值、1.5 A 平均電感電流為超級電容充電。超級電容需要充滿電才能啟用備援作業。超級電容一旦充電，電路僅消耗 4 μA 的電流，同時保持組件處於就緒狀態。

當主電源被移除時，穩壓器會將超級電容電壓升高至所需的系統電壓，以編程的峰值電感電流 (最大值為 3 A) 來防止系統降至低於設定的系統備援工作電壓。可逆式穩壓器可以在低至僅 0.5 V 的超級電容電源電壓下運作，最大程度運用儲存的能量。

備援的持續時間取決於超級電容的能量儲備和系統功耗。Maxim Integrated 的產品允許從單一 2.7 V 超級電容獲得最大備援電源，同時透過消除對獨立充電器和升壓裝置以及二極體的需求，減少電路元件的數量。

結論

相較於二次電池，超級電容在特定應用 (例如需要頻繁更換電池的應用) 的備援電源具有多項優勢。與充電電池相比，超級電容充電速度更快，有更多循環，並提供更高功率密度。然而，在考慮用於典型 5 V 電源備援時，其輸出最高僅 2.7 V， 成為設計挑戰。

如上所述，可逆式降壓／升壓穩壓器提供一個優雅的解決方案，可允許單一超級電容為 5 V 線路提供備援，同時最大程度減少空間和所需組件的數量。