Суперконденсаторы, являющиеся на сегодняшний день одним из самых интересных семейств компонентов, имеют емкости от десятых долей до десятков фарад, но их рабочие напряжения относительно низки. Например, выпускаемый Maxwell суперконденсатор PC10 имеет площадь большой почтовой марки и толщину, равную высоте четырех 25-центовым монет, уложенных друг на друга. Согласно справочным данным, емкость PC10 равна 10 Ф, максимальный ток разряда – 2.5 А, а эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) не превышает 18 Ом. Однако его номинальное рабочее напряжение составляет всего 2.5 В.

Чтобы использовать конденсаторы в схеме с напряжением питания более 2.5 В, можно соединить два конденсатора последовательно, вдвое уменьшив доступную емкость и удвоив общее номинальное напряжение. Однако из-за различий в токах утечки и емкостях напряжение в точке соединения конденсаторов может варьироваться, поэтому конструкция схемы должна гарантировать, что максимальное номинальное напряжение любого из конденсаторов не будет превышено. Если токи заряда и разряда последовательно соединенных конденсаторов относительно невелики, можно параллельно обоим конденсаторам подключить резисторы балансировки заряда с одинаковым сопротивлением. Но для конденсаторов с емкостями фарадного диапазона, способных обеспечивать амперные токи, нужен более эффективный подход.

Теоретически напряжение на конденсаторе определяется суммой его начального значения V_C(0) и интеграла от емкости C, умноженной на ток, выраженный в виде функции времени:

В делителе с двумя конденсаторами токи через оба конденсатора идентичны, и формула, выражающая закон Кирхгофа для замкнутой электрической цепи, включающей напряжение питания V_SUPPLY, приобретает вид:

Во время заряда до уровня напряжения питания 5 В разброс параметров между C₁ и C₂ или остаточное напряжение на любом из конденсаторов приводят к тому, что напряжение на выводах одного конденсатора оказывается выше 2.5 В, а на выводах другого ниже 2.5 В.

Рисунок 1.	Этой простой схеме требуется всего одна микросхема для балансировки зарядов и подержания напряжения в точке соединения конденсаторов большой емкости на уровне половины напряжения питания.

Чтобы устранить это нежелательное рассогласование, микросхема IC₁ оконечного регулятора DDR LP2996 отдает или забирает ток обоих конденсаторов и активно поддерживает их напряжения на уровне, равном половине напряжения питания (Рисунок 1).Микросхема LP2996, предназначенная для использования в качестве активной оконечной нагрузки в устройствах DDR SDRAM, может принимать или отдавать большие токи. Работающий в режиме класса B выходной каскад микросхемы LP2996 (вывод V_TT) управляет общей точкой соединения конденсаторов, активно поддерживая ее потенциал на уровне V_DDQ/2 и активизируясь только тогда, когда происходит разбалансировка конденсаторов. При балансе LP2996 не расходует зарядный ток и, таким образом, работает с высоким КПД. В техническом описании устройства указано, что ошибка разбаланса LP2996, обусловленная смещением выходного напряжения V_TT, составляет ±30 мВ относительно уровня V_DDQ/2. На Рисунке 2 показаны формы напряжений при заряде и разряде конденсаторов скачками тока 1 А.

Рисунок 2.

Осциллограммы сигналов в схеме активной балансировки показывают напряжение на шине питания (верхняя кривая), напряжение в точке соединения двух конденсаторов (средняя кривая) и ток заряда/разряда (нижняя кривая), масштабированный до 1 А на деление. Осциллограммы соответствуют интервалу заряда током 1 А до напряжения 5 В, за которым следует разряд током 1 А до 0 В. Ступени на осциллограммах в начале интервалов заряда и разряда обусловлены внутренними ESR конденсаторов.

Эта схема активной балансировки накладывает некоторые ограничения. При использовании 5-вольтового источника питания с выходным током 1 А максимальное время T_CH, за которое два конденсатора достигнут баланса зарядов, составит 25 с:

На начальном интервале зарядки компенсируются любые начальные смещения зарядов либо на C₁, либо на C₂. Установившийся ток, втекающий в микросхему LP2996 и выходящий из нее, составляет лишь часть большого тока, протекающего через конденсаторы, и его как раз достаточно, чтобы компенсировать любое несоответствие их параметров. LP2996 имеет защиту от перегрева, но мгновенное короткое замыкание любого из конденсаторов может произойти слишком быстро, чтобы активировать схему защиты.

Максимальный ток, который способен выдерживать конденсатор, определяется его тепловым режимом, и в техническом описании PC10 он ограничен значением 2.5 А. Если источник питания обеспечивает зарядный ток свыше 2 А, последовательно с обоими конденсаторами можно включить токоограничивающие резисторы сопротивлением 1 Ом.

При прерывании питания схемы ток саморазряда, обусловленный микросхемой LP2996, составляет менее 1 мА, что соответствует скорости разряда конденсаторов 5000 екунд на вольт. Ток саморазряда LP2996 можно уменьшить, подав внешний управляющий сигнал на вход отключения /SD. При отключении питания цепочка из двух конденсаторов может снабжать нагрузку постоянным током 1 А в течение 15 с; при этом напряжение изменится от 5 до 2 В. Чтобы обеспечить дополнительный ток, можно параллельно подключать дополнительные пары конденсаторов, но, в зависимости от несоответствия емкостей, начальных напряжений смещения и требуемого тока, для поддержания баланса зарядов могут потребоваться дополнительные микросхемы LP2996.

1. Datasheet Texas Instruments LP2996A