超级电容器在手持式工业设备、可拆卸电池的便携式设备、工业传感器和执行器等储能应用中的应用正在迅速增加。当这种应用需要比普通的2.7V超级电容器更高的电压时，可以选择将多个超级电容器串联起来。但由于电容容差、漏电流和ESR不同，每个电容上的电压分布并不均匀。这会导致超级电容器之间的电压不平衡，因为一个超级电容器的电压会比另一个超级电容器的电压大。随着超级电容器温度和寿命的增加，这种电压不平衡变得更加严重，单个超级电容器之间的电压可能会增加到超过额定电压。保持每个超级电容器之间的电压平衡以确保长工作寿命是非常重要的。

MAX38886/MAX38888/MAX38889 4A/2A可逆降压稳压器用于备用电源应用

MAX38886 / MAX38888 / MAX38889是存储电容器或电容器组备用稳压器，旨在使用相同的电感器在可逆降压和升压操作中有效地在存储元件和系统供电轨道之间传输功率。当主电源存在且高于最小系统电源电压时，稳压器以降压模式工作，并按编程的峰值电感电流对存储元件充电。当主电源被移除时，稳压器在升压模式下工作，并防止系统降至最低工作电压以下，以编程的峰值电感电流放电存储元件。

对于本研究，我们正在考虑以下测试用例。
系统正常工作时的最大电压，V(SYS) = 5V。
备用运行时系统最小电压，V(SYS_MIN) = 4.75V。
超级电容器充电时的最大电压，V(SC_MAX) = 4.5V。

MAX38886/MAX38888/MAX38889超级电容串联连接

对于这种应用，超级电容器必须充电到4.5V，在备用过程中，当实际系统电压缺失时，超级电容器电压升压并调节到4.75V。这种情况下的应用电路如图1所示。

在图1的应用电路中，超级电容器的额定电压为2.7V，这是超级电容器的标准额定电压。因此，我们使用了两个11F超级电容器串联来提高额定电压。一旦充电模式启动，超级电容器充电到4.5V，测量每个电容器上的电压，如表1所示。

表1显示，顶部和底部超级电容器之间的电压差为~97mV，这是在+25℃环境温度下取得的结果。泄漏电流、电容和ESR随温度和使用年限的变化而变化。例如，本应用电路中使用的超级电容器在+25℃环境温度下的泄漏电流为6µa，在+65℃环境温度下泄漏电流增加到~300%。超级电容器参数的这些变化有时可能导致电压不平衡的增加，一个电容器也可能看到电压大于额定电压。从长远来看，这可能会损坏超级电容或迅速降低超级电容的寿命。

有几种方法可以通过添加额外的组件来保持每个电容器之间的电压平衡。以下是一些有助于保持超级电容器两端电压平衡的方法。

电压平衡方法

1. 用平衡电阻/无源法进行电压平衡。

2. 使用运放电路进行电压平衡。

3. 电压平衡采用SAB自动平衡MOSFET阵列/有源方法。

1. 用平衡电阻/无源法进行电压平衡

平衡超级电容器电压的最简单和最经济的方法是在每个超级电容器上连接相等值的电阻。由于电阻器永久地连接在超级电容器上，电阻器中的功耗将是连续的。超级电容连接两端的平衡电阻如图2所示。

当100 k 每个超级电容器上使用电阻，每个超级电容器上的电压测量如表2所示。

使用这种方法有一些缺点。电阻器值的选择必须使其提供显著的电流输出，以达到可接受的电压平衡。同时，电阻器的值越小，超级电容器的功耗就越大。随着超级电容器温度和寿命的增加，泄漏电流也随之增加，使得电路的效率随着时间的推移而越来越低。如果选择的电阻值非常高，则需要很长时间才能平衡超级电容的电压。

2. 使用运放电路进行电压平衡

上述使用平衡电阻的附加电路具有连续的功率耗散并且有损耗。为了降低功耗并保持电压的平衡，平衡电路可以使用运算放大器来实现。即使使用高电阻值作为阶梯网络，该解决方案也可以提供更快的电压平衡。

为了减少附加电路的功率损耗，请选择功耗低得多的运放，如MAX4470，它需要至少750nA的超低供电电流。运放的工作电压应高于超级电容的最大电压。可能需要一个阻尼电阻来避免异常振荡。

当超级电容器两端的电压不平衡时，图3中的平衡电路将被激活。一旦每个超级电容器之间的电压达到平衡，这个电路就会消耗更少的电力。因此，这种电路是一种高能效的方法。我们用的是2 × 2.2M?通过超级电容到地的电阻和集成电路消耗的电源电流少得多。总功耗明显低于早期的被动方法。

使用运放方法测量每个电容器上的电压如表3所示。

图4中的波形显示了当超级电容器充电和运算放大器电路用于电压平衡时的启动行为。波形显示V(SYS)(黄色)，V(CAP_TOTAL)(蓝色)，V(CAP_TOP)(橙色)，V(CAP_BOTTOM)(粉色)。

3.专用基于ic的平衡电路

目前很少有专用的基于ic的超级电容器自动平衡MOSFET阵列可以作为超级电容器的有源平衡电路。这些MOSFET阵列提供堆叠串联超级电容器的自平衡，同时损耗接近零泄漏电流，实际上消除了额外的功耗。串联堆叠被连续监控，并自动控制其电压和泄漏电流的平衡。

这是一种特殊类型的MOSFET，具有非常严格的门阈值电压规格。设置的超级电容电压应为阈值电压的两倍。每个电容器将充电到栅极阈值电压。但这将是一种昂贵的电压平衡方法，因为这些专用ic的成本更高。

被动、主动电压平衡方法的比较

表4显示了所讨论的各种电压平衡技术的总体比较。

结论

本应用说明讨论了为什么在串联超级电容器连接中需要电压平衡，并回顾了串联超级电容器连接的不同电压平衡技术。比较了每种技术的性能。