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功率技術/新能源  

超級電容器子系統為手機實現豐富高階功能

上網時間: 2010年05月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:超級電容器  EDLC  電池 

當今的手機具備越來越豐富的功能,耗電量也隨之增加。兩三年前流行的VGA成像器目前正被配備更高電流LED閃光燈的320萬畫素或更高畫素(有些甚至高達800萬畫素)成像器所取代。針對多媒體播放應用的高功耗立體聲驅動器也逐漸取代了低功耗單聲道音訊驅動器。隨著3G網路的普及,無線數據傳輸正呈指數級成長,因而必須為手機中配備更多射頻功率放大器(RF PA),以處理大量的語音通話和數據串流。

然而,這些功能在使用時都會消耗大量的電池電流脈衝(1A+)。如果同時使用這些功能時,常常會導致電池電流的故障,或甚至使手機很快就出現當機的情形。

針對峰值電池電流出現的問題,解決方案包括謹慎管理脈衝計時,以及減少對整體性能的要求(例如限制閃光燈電流或音量大小)。但是,這兩種解決方案都可能使手機的性能受到限制,因而較不受歡迎。另一種方法是製作一個基於超級電容器與超級電容器管理晶片的電源子系統;這種方式將可協助其重新設定應用,使其完全發揮潛在性能。

系統所面臨的問題

針對目前鋰離子電池存在約2A∼3A的電流限值,設計者必須謹慎處理系統中不同負載需求電流的時間,以避免出現過電流現象。此外,當電池電壓降低至接近系統關斷電壓時,與電池ESR相連的強大電流脈衝將會導致系統故障或當機。

舉例來說,如果在進行LED閃光作業的同時也進行GSM傳輸,那麼脈衝電流的總需求量很容易就超過3A(GSM傳輸為2A,LED閃光作業為1.5A)。

為了避免產生過電流現象,許多手機設計一般採用降低額定值的閃光電流,或在閃光燈LED驅動器晶片中分配傳輸中斷,而使輸入電流保持在可控制的水準。傳輸中斷訊號會在RF PA和閃光燈驅動器之間提供一種同步機制;當RF PA在閃光作業期間進行傳輸時,閃光中斷將啟動,而使閃光電流降低或完全關閉。

這種功能將有助於避免電池過載。不過,如果採用滾動快門(rolling shutter)時,那麼拍出的照片會出現暗線或暗部。因此,上述兩種方法看來都會造成性能折衷,而使照片品質降低。

圖1顯示了大量脈衝負載於電池上的影響,特別是所產生的電池ESR壓降以及總脈衝電池的電流強度。假定一款100mΩ的電池ESR,負載了包括1.2A的LED閃光脈衝、2A的GSM傳輸脈衝以及立體聲D類放大器,那麼峰值脈衝電流可能會超過4A,並造成電池組電壓瞬間降低400mV。


F1: 大量脈衝負載同時施加於手持設備時,電池電壓大幅降低。

為了避免產生這種壓降,必須降低閃光電流和音訊功率,以便使峰值電流降低到系統可承受的範圍內。此外,還必須增加電池容量。然而,添加一款超級電容器可在不必增加電池容量的情況下有效提升電池的脈衝電流處理能力,同時還可協助系統實現全部功能。

何謂超級電容器?

超級電容器的最理想名稱是‘電化學’(electrochemical)或‘雙電層電容器’(electric dual layer capacitor;EDLC)。超級電容器的表現與傳統電容器(包括多層陶瓷電容器、鉭電容器、電解電容器等)相似,但能量密度更高。這是由具有極大電荷儲存表面積的多孔碳電極以及專用電解質提供的超薄板分離層相互結合而形成。

EDLC的電容器值並不適合採用其它電容器形態的超薄可攜式系統。相較於應用在氙氣閃光燈的電解電容器具有6mm以上的典型厚度, EDLC的典型厚度約為2mm∼3mm。對於最大額定電壓約2.75V∼2.85V的單節電容器而言,EDLC的電容器值可以達到180mF-1.8F的範圍。本文將專門討論額定電壓為5.5V-5.7V(雙節EDLC)以及電容器值為425mF-550mF的雙節串聯EDLC。


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