注意超級電容的枝微末節

設計人員在多種應用中廣泛使用超級電容 (亦稱為電化學雙層電容，EDLC)。包含具有快閃記憶體、脈衝電源、橋接或保持電源、相機閃光燈系統、能源採集、脈衝應用、不斷電系統、工業系統、無線警報、遠端量測、玩具的嵌入式系統備援電源。儘管這些元件非常實用，設計人員必須注意超級電容與傳統板級電容相異的複雜性和細節。

此部落格文章將會先探討使用超級電容時的三項重要考量，接著簡要檢視 AVX Corp.、Eaton、KEMET 針對不同範圍應用最佳化的超級電容。

設計中採用超級電容時的考量事項

部分超級電容的細節可能會對設計人員造成挑戰，包含：

等效串聯電阻 (ESR)：ESR 在超級電容中沒那麼簡單。每家製造商的規格書中列出的規格看似差別不大，但實際出貨元件的 ESR 可能會有些差異。此外，ESR 會隨著超級電容老化而增加。設計人員應該採用最初具有低 ESR 的超級電容，然後在其操作壽命中，在廣泛的溫度範圍內保持相對低的 ESR。會隨著時間影響 ESR 的可能因素包含材料純度、生產製程潔淨度，以及元件在出貨前經過多長的預燒 (若有)。

最佳化超級電容壽命：一般而言，在單元層級中，越高的溫度和越高的操作電壓會導致 ESR 更快增加，並縮短超級電容的壽命。因此，降低每單元的操作電壓能讓超級電容的壽命最佳化。典型策略是在串連中加入更多的單元，但這會增加系統 ESR。不過，還是可以透過增加電容量降低 ESR，克服此問題。

電源轉換：許多設計人員習慣使用電池或其他恆定電壓源。使用超級電容時，必須要瞭解為負載供電時的壓降，以及電流率對電壓的效應。使用欠佳的電源轉換器，可能會用到比所需還要貴的超級電容。若電力電子裝置的設計為採用更寬的電壓窗口 (滿額電壓至 ½ 額定電壓)，則能完整使用儲存在超級電容內的能量。如此便能夠使用較小的超級電容，有助於降低成本並縮減系統尺寸。

5 F 超級電容提供高功率密度

Eaton 的 PHV-5R4H505-R 5 F 超級電容是 5 V 元件，經過最佳化，適用於高能量密度應用，例如脈衝功率系統、不斷電系統、工業系統 (圖 1)。其具備整合式單元管理 (內建平衡)。ESR 在 100 Hz 時為 70 mΩ，1 kHz 時為 65 mΩ，工作溫度範圍為 -40°C 至 +65°C，延伸溫度範圍高達 +85°C，+85°C 時線性電壓降額至 4.0 V。PHV-5R4H505-R 在指定充電電壓和溫度範圍內時，壽命可長達 20 年。

圖 1：Eaton 的 PHV-5R4H505-R 5 F 超級電容採用矩形封裝，達到高功率密度。(圖片來源：Eaton)

接著，我們來看看專為不同應用需求經過最佳化的兩款 470 mF 超級電容。

適用於脈衝電源的 400 mΩ、470 mF 超級電容

AVX 的 SCMQ14C474PRBA0 是 5 V、470 mF 系列連接超級電容模組，在 1 kHz 時具有 400 mΩ 的 ESR (圖 2)。經過最佳化，用於能源採集系統、脈衝功率應用，以及在能源保持電路中作為供應或替換電池。這些超級電容與電池搭配使用，可以延長備援時間，達到更長的電池續航力，並且支援即時脈衝功率需求。

圖 2：SCMQ14C474PRBA0 是 5 V、470 mF 超級電容，專為能量採源系統和脈衝電源裝置經過最佳化。(圖片來源：AVX Corp.)

用於長期備援電源的 25 Ω、470 mF 超級電容

KEMET 的 FC0V474ZFTBR24 是 470 mF、3.5 V 超級電容，適合用於低電壓直流電 (DC) 保持應用，例如含快閃記憶體和時脈 IC 的嵌入式微處理器系統 (圖 3)。此元件在 1 kHz 的 ESR 為 25 Ω，特別適合用於提供 500 μA 的備援電流，以及更低電源以達到延長的時數。

圖 3：KEMET 的 FC0V474ZFTBR24 是 470 mF、3.5 V 超級電容，採用表面黏著封裝，不需使用固定器。(圖片來源：KEMET）

結論

相較於傳統板級電容，超級電容更為複雜：有多種變體可用於嵌入式系統備援電源、脈衝電源、能源採集、不斷電系統、工業系統、遠端量測等應用。設計人員必須特別注意 ESR，此細節會影響延伸工作壽命及功率轉換設計。