提高電池可利用性　超級電容功率子系統受矚目

這個問題或許可以透過管理脈衝時機及降低手機整體效能(限制閃光電流跟音量大小)來解決，但這兩種解決方案都會限制手機的整體效能，且也未必能夠解決每種可能發生的情況。  

除此之外，其實另外還有辦法，也就是創造出一組超級電容(Super-Capacitor)功率子系統與其管理晶片，讓手機的各種功能更能發揮到淋漓盡致。  

電流超載問題揮之不去  

由於鋰電池的電流範圍被限制在2～3安培之間，因此設計者必須仔細管理負載間的電流以避免電流超載。此外，當電池的電壓低到接近系統關閉電壓時，大量的脈衝電流注入電池的等效串聯電阻可能導致手機突然關機。  

舉例來說，在全球行動通訊系統(GSM)傳輸的同時，如果使用LED閃光燈，可能讓總電流很容易就到達3安培的上限，譬如TX事件會有2安培的電流，而LED閃光燈將有1.5安培的電流。  

為了防止電流超載的問題，手機設計者會降低閃光電流，讓輸入電流降至可控制的範圍內，或是在許多閃光燈LED驅動晶片上外加傳送中斷接腳。傳送中斷接腳能在RF功率放大器與閃光燈LED驅動器間提供同步的機制。當RF功率放大器開始在閃光燈運作時傳輸，閃光就會中斷，讓閃光電流降低至完全消失為止，如此一來，就可以讓電池免於超載負荷。若是外加使用電子捲動快門，則會造成照片上的影像產生暗線與暗色塊。兩種折衷方案都會降低照片品質。  

圖1所示為電池中脈衝負載的效應，請注意其中電池等效串聯電阻的電壓值會跟著電池的脈衝電流值一起降低。假使有一組100毫歐姆(mΩ)的電池ESR，以及由一組1.2安培的LED閃光燈脈衝、一組2安培GSM的傳送脈衝、一組立體聲D類放大器所組成的負載，其峰值脈衝電流將會達到4安培，並且會讓電池電壓瞬間降低至400毫伏特(mV)。

圖1　電池中脈衝負載的效應

為了防止電池電壓瞬間降低，建議採取折衷方案，降低閃光電流與音訊功率，讓峰值電流下降至系統可以接受的程度，或增加電池的電量以防止手機電壓突然不足而關機。但加裝超級電容之後，將可以使電池增加脈衝電流的處理能力(且不須要增加電池電量)，而且讓手機達到最高效能。  

由於各家製造商自行命名的方式不同，「超級電容」可能被稱為「電化學雙層電容」或「電雙層電容」，簡稱EDLC。超級電容的性質近似於傳統電容(如高容值積層陶瓷電容、鉭電容、電解質電容等等)。不同的是，超級電容能擁有較高的電能，這是經由多孔碳電極所架構出的大電量儲存介面，該介面為充滿著特殊電解液的薄層，便能達到增加電能密度的目的。  

EDLC未曾被適當地應用於各種薄型可攜式系統中--氙氣閃光燈應用裝置中的電解質電容厚度通常超過6毫米(mm)，而傳統的EDLC厚度大約在2～3毫米之間。EDLC電容值範圍在180毫法(mF)至1.8法(F)之間，最大儲存電量範圍約在2.75～2.85伏特。本文將探討雙組的EDLC，其電壓值範圍由兩個單EDLC串聯而成，約5.5～5.7伏特，而電容值範圍在425～550毫法。  

超級電容顯著改善電池效能  

在可攜式系統中採用大容量電容有許多優點，而使用超級電容則能顯著地改善電池的效能。

圖2　來自電池的初始電流與來自超級電容的電流的比較

當超級電容和系統電池並聯使用時，如果LED閃光驅動器或RF傳輸產生大量電流，超級電容能有效降低來自電池的峰值電流。來自超級電容與電池的電流大小，與超級電容和電池的等效串聯電阻值大小成反比。由電池與超級電容所組合而成的此裝置，在擁有較低等效串聯電阻值的狀況下，可傳遞大部分的電流。傳統鋰電池的等效串聯電阻值大約在200～300毫歐姆之間，而超級電容的等效串聯電阻值則只有50毫歐姆。圖2為比較來自電池的初始電流與來自超級電容的電流。  

隨著負載所產生脈衝的出現，可以發現來自超級電容的電流值降低，而來自電池的電流值因為超級電容的放電而增加(圖3)。

圖3　來自超級電容的電流值降低，而來自電池的電流值則因為超級電容的放電而增加。

由於超級電容與電池共同分擔負載，讓電池電壓免於在脈衝負載產生時驟降，也提高了電池的可利用性。雖然配置超級電容有助於手機解決提早關機的問題，但該架構還是有一些問題存在。為了防止電池損壞，電池與超級電容之間應該架設限制電流的電路。當超級電容放電完成時就像接地一樣，很多電流會從電池傳送過來。相關數值的計算，可參考以下的公式：  

峰值電流=電池的電壓/(電池內電阻+超級電容內電阻+電路上的電阻)  

限制電流的電路，簡單來說，就是外加一串電阻，讓電流低於電池電流的最大值，但此舉卻會降低手機的整體效能，而且使得電容的充電時間變長，因為電阻值乘以電容值的數值變大。另一種限制電路是在超級電容與電池間放置一組線性穩壓器，就能幫助超級電容的充電和電池峰值電流的控制。當使用線性穩壓器時，超級電容的電壓值永遠低於電池的電壓值，這是因為線性穩壓器無法提升電池的電壓值。第三種方法，也是接下來文章將會使用到的裝置，是在電池與超級電容之間裝上幾種升壓轉換器，這個解決方案可以讓超級電容充電時有固定的電壓值，並且提供超級電容穩定的電流。  

圖4使用與圖1相同的負載和負載控制器，但其超級電容充電/控制器能限制電池的峰值電流在可控制約500毫安培的範圍內，並讓電池等效串聯電阻的電壓值持續下降到50毫伏特。

圖4　超級電容充電/控制器能夠限制電池的峰值電流在可控制的約500毫安培之範圍內，並讓電池等效串聯電阻的電壓值持續下降到50毫伏特。

在此實例中，超級電容與控制器能降低峰值電流，在不影響到子系統負載效能情形下，讓電池等效串聯電阻的電壓值持續下降超過85%。  

超級電容管理晶片應運而生  

使用不同的介電材料時，雙組的超級電容會面臨到一些特別的問題。超級電容的管理晶片必須能夠處理這些特別需求，才能保護超級電容與控制其功率子系統。 首先，超級電容子系統的管理晶片必須能夠讓電流大小控制在可與電池和手機中其他系統相容的狀況。超級電容子系統應該在不中斷其他系統功能的前提下，提供高電流的脈衝負載。產品設計人員在設計手機時，首先會面臨如基頻處理器、顯示器等不同裝置會有不同功率消耗大小的狀況。舉例來說，如果電池的電流上限為2安培，未裝超級電容之前的電流值一直都在1.4安培，加裝超級電容的管理晶片後會多出600毫安培輸入電流，能夠防止電池超載。  

切換電容升壓轉換器與同步電感式升壓轉換器都比非同步電感式升壓轉換器更適合用在超級電容充電。非同步電感式升壓轉換器無法主動中斷輸出訊號。如果超級電容的電壓值放電到低於電池電壓的大小時，電池會連接到系統，此時蕭特基二極體便會開始導通，使得電流大小無法被控制。切換電容升壓轉換器與同步感應升壓轉換器內都含有場效電晶體，可以控制流向超級電容的電流大小。  

其次，超級電容的管理晶片必須有能力在其晶片的輸入電流限制下，處理輸出短路的問題。當超級電容的電容值在0.5法(F)的時候能完全放電，因此在充電開始的時候看起來就像是接地一樣。大多數的功率管理晶片無論是轉換電容升壓轉換器或同步感應升壓轉換器，都有一組升壓裝置會在電流限制下啟動升壓，直到電容接近目標輸出電壓為止。管理晶片啟動後，將會消耗大量的電能。  

舉例來說，倘若電池電壓為4.0伏特，管理晶片的輸入電流限制大小為500毫安培，若超級電容放電完成，也就是其電壓值等於GND或0伏特之後，超級電容的管理晶片會開始消耗2瓦的電能並持續充電。而當超級電容在充電時，晶片會消耗一些電能。  

第三，當子系統關機時，子系統的管理晶片應該要讓升壓轉換器的輸出端成為高阻抗。如此一來，將能夠防止超級電容未使用時的放電。

最後，為了防止電壓過載，雙組的超級電容須要加入一個電壓平衡架構。在超級電容內簡單架設一些電阻能達到電壓平衡的效果，是因為電阻值增加可讓超級電容的電流值減少。最受歡迎的超級電容電壓平衡架構，是加入一個放大器來驅動平衡端。有效的主動平衡架構能夠控制電容核心進出的電流，以確保每一個超級電容上的電壓值都等於總輸出電壓大小的一半(圖5)。

圖5　被動平衡架構與主動平衡架構

除了上述的優點之外，使用超級電容子系統還能夠讓電池連接更多組LED閃光燈陣列。根據電容大小與LED的使用數量，有可能讓閃光電流在超過5安培的大小下持續使用33毫秒的時間。在上述狀況下，LED閃光燈陣列能夠達到與氙氣閃光燈相同的亮度(lux×秒)，但在播放影片時卻能有更高的解析度。此外，相對於氙氣燈泡，LED在播放影片時只需較低的電流便能達成。  

控制電池電流大小　降低設計難度  

雖然之前提及超級電容子系統的許多優點，但在設計時仍然要考量到一些實際的非理想狀況。首先是關於電容的物理規格。雖然LED閃光燈的設計已經比氙氣燈泡的厚度更薄，但在使用5.5伏特的超級電容狀況下，整體平均需要2～3毫米的厚度和360～400平方毫米間範圍的面積大小。這樣尺寸大小的裝置很難放進手機裡。  

除此之外，現今超級電容尚未存在標準的製程迴焊爐裝配過程，且仍需額外的成本進行二次組裝步驟。再者，在高溫環境下，超級電容會產生膨脹現象，並造成元件損害而減少使用年限。  

在設計可攜式裝置時，如果計畫採用超級電容，就必須考量高電流負載脈衝所造成的問題。若使用RF功率放大器傳輸功能、高功率立體聲驅動器和LED照相機閃光燈時，能夠控制電池的電流大小，將可大幅地降低設計上的難度，例如閃光時間限制、電池電壓驟降等問題。使用本文中超級電容的設計裝置後，將可有效發揮手機的效能，並解決許多之前設計上困擾的問題。隨著超級電容的效能提升，例如電壓與電容值的增加、等效串聯電阻與尺寸的減少等，就能在手機上提供更優異的功能。  

(本文作者任職於美國國家半導體)