超級電容器是獨一無二的，因為它們可以在需要許多快速充電/放電循環的應用中與電池一起工作或作為電池的替代品，并且它們在短期能量存儲、再生制動和靜態 RAM 內存備份等應用中很受歡迎。
但在設計中平衡超級電容器不僅僅需要連接幾根電線。當超級電容器的工作電壓為 2.5–2.7 V 時，大多數應用使用串聯的設備陣列來獲得更高的電壓。
許多超級電容器的漏電流因多種因素而異，包括：
初始泄漏值
泄漏隨充電電壓、充電電流和溫度的變化
工作溫度范圍
化學、材料和結構
老化
防止這種不平衡需要一個平衡電路，通過自動校正漏電流變化的影響，將每個超級電容器的電壓保持在限制范圍內，所有這些都以最小的增加的漏電流或功耗。
對于模塊設計者來說，這代表了額外的復雜性。簡單的基于電阻器的設計會消耗功率，并且不會對老化和溫度變化做出響應；基于運算放大器的設計具有更高的性能，但復雜、浪費功率并占用過多的電路板空間。開發解決方案還需要布局專業知識和模擬或電源設計技能；結果可能會增加開發時間，甚至使問題變得更糟，并增加其自身不需要的泄漏。?
新PCB概述
一種新的印刷電路板 (PCB) 提供了一種“即插即用”的解決方案，它結合了為任何尺寸的超級電容器完成這些任務所需的所有電路。圖 1 顯示了該板，其設計用于與精密 MOSFET 陣列結合使用。
每塊板的尺寸僅為 0.6 x 1.6 英寸，并且在完全填充后，最多可以平衡四個串聯的超級電容器；除了未組裝的電路板外，還提供了帶有不同 MOSFET 組合的組裝電路板，以達到所需的電壓。對于較大的陣列，可以串聯任意數量的板，但每塊板的最大電壓為 15 V。
圖 1：四個超級電容器加上外部元件。 ? ?
該板可容納 0.1 F 至 3,000 F 及更高溫度的超級電容器。由于使用電路板而導致的平均額外功耗為零，這使得這種超級電容器平衡方法非常節能。它特別適用于低損耗能量收集和長壽命電池供電應用。
圖 2 顯示了與四個超級電容器 C1-C4 一起使用的電路板的示意圖。MOSFET 是由四個相同芯片組成的陣列，其中包含兩個配置相同的器件。根據選擇的電路板，每個超級電容器可以有一個 MOSFET，或兩個并聯的器件跨接。并聯兩個器件可以得到一個等效的 MOSFET，其輸出電流是兩倍，對電壓變化的靈敏度是兩倍。
圖 2：具有三個 MOSFET 陣列的完整電路板示意圖。該設計確保每個超級電容器上的電壓（例如 VA – VB）不超過最大允許值。? ? ?
兩個部件號中的“XX”表示 MOSFET 兩端的電壓，對應于 25°C 時 1 μA 的漏電流，如下一節所述。
每個 MOSFET 的額定反向偏置二極管電流最高可達 80 mA。由于超級電容器電壓變化而導致的任何反向偏置情況，尤其是在快速超級電容器放電期間，都可能導致某些內部節點因浪涌電流超過此限制而出現反向偏置。
該板具有 TO277 焊盤，用于添加外部肖特基整流器（功率二極管）以鉗制此類電流瞬變。?
還可以在每對超級電容器之間連接一個可選電阻器。通常情況下，這是開路的，但如果這兩個超級電容器位置無人安裝，則應在相應位置安裝一個零歐姆跳線。 ?
電路操作
電路如何自動平衡漏電？MOSFET 可被視為在有限工作范圍內的三端壓控電阻器，其導通電阻 R DS(ON) 是輸入電壓 V GS的指數函數。當柵極和漏極連接時，V DS 也等于V GS ，稱為閾值電壓V t。圖 3 顯示了四通道 MOSFET 陣列的數據。
圖 3：芯片的相對導通電阻與輸入電壓的關系。 ? ?
ALD 零件編號中的“XX”表示閾值電壓 V t ，它在 25°C 時提供 1 μA 的輸出電流 I OUT 。例如，ALD810025 四方陣列的 V t = 2.5 V，因此 在 2.5 V 和 25°C 時 I OUT = 1μA。這對應于 2.5 MΩ 的 R DS(ON) 。表 1 顯示了 I OUT 隨著 V t變化的 變化。
表 1：在 TA = 25°C 時，ALD810025 在不同輸入電壓和輸出電流下的等效導通電阻。
當一個 MOSFET 跨接在一個陣列中的超級電容器上時，V t 和 R DS(ON)之間的指數關系 意味著由另一個超級電容器的漏電流引起的超級電容器電壓的任何微小增加都會導致 R DS( ON） 的那個MOSFET。這將增加 I DS(ON) 并降低電壓。隨著電壓降低，I DS(ON) 也會降低。
根據所選的 PCB 部件號，每個超級電容器可以有一個 MOSFET 或兩個并聯的器件。并聯兩個器件可以得到一個等效的 MOSFET，其輸出電流是兩倍，對電壓變化的靈敏度是兩倍。
漏電流平衡機制是全自動的，適用于具有不同漏電流分布的超級電容器陣列。在具有許多串聯超級電容器的堆棧中，多個 MOSFET 陣列起到平衡各種漏電流的作用。
例如，如果漏電流 I C1 大于 I C2在圖 2 中的四電容器陣列中，則兩個 M1（在 U1 和 U2 中）都關閉，M2 對成為平衡 C1 的有源電路元件，泄漏最大的超級電容器。
如果沒有自動平衡電路，C2 兩端的電壓會不斷上升，直到損壞器件。MOSFET 平衡解決方案幾乎不會產生額外的電流消耗，并且可以根據溫度、時間和其他可能導致失衡情況的環境變化進行調整。 ?
審核編輯：湯梓紅