一文解析超级电容器的构造，-_EDLC

很多朋友对一文解析超级电容器的构造，-_EDLC不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

对于今天的大多数设计团队来说，在有限的空间内从事电池供电的消费电子产品的开发将是最具挑战性的任务。除了能够在给定的机箱尺寸内实现所需的功能之外，最重要的考虑因素之一是可用的功率预算。所有电子设备(例如处理器、无线连接和显示器/UI)的可用空间之间的平衡需要与电池为所有设备供电的空间相平衡。

对于一些应用，例如在具有相机闪光灯功能的智能手机中发现的应用，峰值功率负载明显高于任何其他用例，尽管这是一种短暂的情况。面临此类挑战的工程师可以考虑使用超级电容器，也称为双电层电容器(EDLC)，以满足峰值负载要求。超级电容器的存储容量是普通电解电容器的100倍，它们通常可以在40毫秒内提供高达4安培的电流。

这种EDLC也是提供备用电源以适应应用主电源瞬时中断的理想候选。备用电源，固态硬盘的内存备份，

不同于陶瓷或电解对应物，EDLC不使用介电层。相反，电解质可以是固体或凝胶状物质，位于两个电极之间(图1)。这种结构的最终电容与电极的表面积成比例，并且通过使用沉积在铝箔上的动态活性炭作为电极，提供了相当高的电容值。离子吸附到电极表面和从电极表面吸附的过程产生EDLC的充电和放电。图1:超级电容器EDLC的结构

EDLC的结构往往因厂商而异，每个厂商的特点也略有不同。例如，村田的DMT/DMF系列(图2)采用铝复合薄膜封装，两面都涂有绝缘塑料层。由活性炭电极和电解质组成的夹层构成了多层封装，每一片都由隔板进行机械和电气分离。此外，两个电容器形成在单个“袋”封装中，并且除了外部电极之外，还与连接到中点的引线串联连接。

村田产品的一个例子是DMT334R2S47，它是一个470 mF的超级电容器，额定工作电压为4.2 V DC。TDK以类似的方式使用其EDLC252520系列，如EDLC252520-351-2F-21，350 mF和3.2 V DC工作电压。

图2:村田EDLC的包装实例相比之下，松下的黄金系列EDLC采用了几种各具特色的结构形式。纽扣电池格式用于太阳能手表的存储器备份应用和辅助电源，多个堆叠的纽扣电池阵列用于工业和汽车存储器备份应用，并使用更熟悉的圆柱形封装，其ESR相对较低，用于更高电流的应用，如玩具。一个例子是EEC-S0HD334V，一个330 mF 5.5 V DC工作电压元件。

为了更好地理解EDLC的行为和操作，有必要考虑它的等效电路模型。从简单的第一个角度来看，该模型如图3所示。图3:3:EDLC的简单等效电路模型

注意，EDLC的两个电容器单元的组合创建了进一步简化的模型。等效电容减半，有效串联电阻(ESR)加倍。然而，在该模型中没有考虑活性炭电极的实际行为。因为这种沉积会在表面形成不同深度的层或孔，离子的运动就会发生变化。因此，离子可以快速移动到表面活性炭，但更深的离子需要更长的时间。

表面接受电荷的速度很快，但深层需要更长的时间才能充满电。为了在等效电路模型中考虑这一点，更精确的表示(见图4)包括多个并联电容和串联电阻。

图4:EDLC的详细等效电路模型一般来说，大多数超级电容器EDLC器件厂商的电容值在几百毫法到几法拉之间，工作电压通常高达5.5 V DC。尽管它们的电容和能量存储容量很高，但是它们的物理尺寸通常相对较薄。例如，村田DMF-4B5R5G 1 F和5.5 WV DC组件的尺寸仅为1.181 x 0.515 x 0.146英寸(30.00x14.00x3.70mm)。

与钽电容或铝电容相比，EDLC可以提供100多倍的储能容量。例如，1.5 F 6.3 V钽电容可提供高达20 mJ的存储能量，而470 mF 4.2 V EDLC可存储000 mJ的能量。

考虑到钽电容器在短路情况下会着火，成本高，铝的尺寸大，寿命周期有限，EDLC是提供高峰负荷或备用电源应用的理想选择。在这些应用中，它通常可以提供10瓦的输出，在某些情况下，它可以提供高达100瓦的输出。此外，与使用锂钮扣电池代替EDLC相比，锂电池只能提供非常低的功率。

根据设备的有效电阻，通常只需几分钟即可为EDLC充电(图5)。因为EDLC有许多小内阻，它通常不需要任何外部限流电阻。图EDLC电荷-内阻和时间之间的关系图6示出了基于恒流放电的edlc放电循环的一般模型。图6:6:EDLC恒流放电的典型放电曲线

图7显示了村田DMF系列EDLC。由于内部ESR的原因，放电时有一个初始压降，在大电流条件下压降更大。然后，EDLC的电压开始随时间降低。这种下降的速度取决于消耗的电流和标称电容值。在恒功率放电的情况下，电压与时间的关系不是线性的，而是基于放电功率(P)、标称电容(C)和瞬时电压电平V形成更多的曲线，计算公式为dv/dt=resume。

图7:7:村田DMF EDLC的放电曲线如上所述，有很多非常适合EDLC的用例。图8显示了在基于电池的设计中，使用EDLC来平衡峰值负载。当负载需求超过电池单独提供的容量时，组合电源可以提供额外的功率来补充电池的功率输出，从而满足应用要求。图8:峰值负载平衡

在本文提到的用例场景中，EDLC用于提供高峰值功率能力，如图9所示。这种峰值负载可以是智能电话上的照相机闪光功能，或者是适应电动机启动的峰值负载。通过为这些功能使用EDLC而不是更高额定值的电池，设计工程师可以最大限度地降低总BOM成本和所需空间。这在当今空间有限的消费电子设备中尤为重要。图9:高峰值功率函数

当供电不频繁但负载稳定时，EDLC也可用于储存能量。请参考图10。在没有其他可靠电源的情况下，使用能量收集而不是电池的概念正在吸引那些为物联网(IoT)应用开发传感器应用的人。从太阳能电池和振动收集器等多种来源收集的能量可以很容易地存储在EDLC，以维持无线传感器应用的可靠电源。图10:能量采集应用中的能量存储

最后一个用例是为固态硬盘(SSD)等内存应用提供临时备用电源，如图11所示。SSD停电是关键事件。由于对缓存内存的依赖，如果电源突然出现故障，任何挂起的磁盘/缓存写入都可能会丢失，因为正确的待机/关机过程不会发生。为了防止数据丢失和可能损坏的磁盘分区，可以使用EDLC来确保关机和/或缓存写入过程能够无误地执行。

图11:固态硬盘的备用电源EDLC作为电池和大电容的替代品，越来越受到设计工程师的欢迎。EDLC能提供大量能量，占用电路板空间小，可靠性和老化特性好，所以会很受欢迎。

以上知识分享希望能够帮助到大家！