新興的電動汽車 (EV) 傳動系統正在改變汽車的制造方式，但是電動汽車如何影響動力總成之外其他部件的設計？許多 EV 在充電口和微控制器單元 (MCU) 場系統中添加備用電源系統，以便在汽車主電池不可用時提供應急電源。如 圖 1 所示，充電口是充電電纜插入 EV 的端口，在充電口內，電機將充電電纜夾到 EV 上，以驗證充電期間的連接是否安全。對于北美充電標準 (NACS) 充電口，需要用于電機的備用電源系統，因為充電口為 ASIL-D 級。MCU 場是車輛控制安全氣囊、緊急制動和傳感器等系統的大腦。在汽車電池斷開連接的情況下，必須為這些關鍵系統提供備用電源。雖然 NACS 充電口和 MCU 場具有不同的功能，但是兩者都對駕駛員安全至關重要，并且由于可快速充電，因此利用超級電容器作為備用電源。為了設計這些超級電容器備用系統，工程師面臨以下挑戰：在快速充電的同時管理功率損耗、精確充電以利用超級電容器的全部容量，以及快速使超級電容器升壓以支持備用功能。

圖 1 EV 充電口

根據應用規格選擇正確的充電器拓撲

超級電容器必須快速充電，以確保在汽車啟動之后可以及時提供備用電源，但如何根據系統要求選擇正確的充電器拓撲？公式 1 涉及電壓和充電時間，有助于為充電口和 MCU 場選擇正確的充電器拓撲。在 方程式 1 中，I 是充電電流，C 是總電容，dV 是超級電容器電壓，dT 是充電時間。

通常，與 10V 的充電口相比，MCU 場具有 48V 的更高充電電壓，以提供更長時間的備用電源和更短的充電時間（< 60 秒）。因此，與充電口相比，MCU 場應用需要更大的充電電流，從而導致更大的功率損耗。為了支持更高的功率耗散，開關充電控制器是 MCU 場的有效充電器拓撲。開關行為有助于減少功率損耗引起的熱量，而控制器拓撲將開關 FET 放置在充電器外部以提高電源能力。由于功率損耗較小，充電口應用可使用線性充電器。由于線性充電器不需要像開關充電控制器那樣的電感器和 MOSFET，因此線性充電器還有助于減少元件總數。

有助于更大限度增加超級電容器的電荷

要解決的另一個關鍵挑戰是盡可能使超級電容器充電至滿電荷狀態。所有充電設計都具有充電電壓精度規格，詳細說明了實際充電電壓可以高于或低于目標充電電壓的程度。環境溫度也會影響充電電壓精度。一些 IC 在 25°C 環境溫度下可以具有 1% 的充電電壓精度，但在更高和更低的環境溫度下，精度可能降低。充電電壓精度對于充電口和 MCU 場應用非常重要。如果實際充電電壓低于預期，則超級電容器在備用模式期間可使用更少的電荷。如果充電電壓高于預期，則超級電容器的充電電壓可能高于額定值，這會導致電容器性能下降。圖 2 突出顯示了超級電容器中的可用能量如何隨充電電壓精度呈指數增長或下降。具體來看，充電電壓精度范圍為 1% 至 2%，該圖表顯示了充電電壓精度變化 1% 如何使超級電容器的能量過度充電或充電不足加倍。因此，在設計超級電容器系統（如充電口和 MCU 場）時必須考慮充電電壓精度，以在不犧牲壽命的情況下更大限度增加超級電容器中的可用電荷。

圖 2 可用能量差與充電電壓之間的關系

升高超級電容器電壓，在備用模式下為系統供電

超級電容器系統的另一個設計挑戰是將超級電容器的電壓升高到足以為系統供電的電平。對于充電口，超級電容器總共充電至 10V，而用于解鎖車門的電機驅動器通常需要 60W（10V，6A），因此需要升壓轉換器來在超級電容器放電時升高功率。實現升壓的兩種方法如下面的方框圖所示：同一 IC 上的充電和升壓或者單獨 IC 上的充電和升壓。除了電機驅動器元件被 MCU 取代之外，MCU 場的方框圖是相同的。充電器和升壓相結合的主要好處是減少元件總數并簡化系統設計。

圖 3 充電器和升壓獨立方框圖

圖 4 充電器和升壓組合方框圖

BQ25173-Q1 和 BQ25856-Q1 超級電容器充電器

BQ25173-Q1 和 BQ25856-Q1 是可用于汽車應用（如充電口和 MCU 場）的線性、開關超級電容器充電器。BQ25173-Q1 可以為 1 至 4 個串聯的超級電容器充電，并具有以下優勢：

• 通過 2μA 輸入靜態電流和 350nA 靜態電流，更大限度減少汽車電池和超級電容器的電流消耗

• 從 -40°C 至 125°C 環境溫度下，以 +-1% 的充電電壓精度將超級電容器充電至目標充電電壓

• 采用線性充電拓撲，無電磁干擾 (EMI)

• 利用并聯 BQ25173-Q1，實現 > 1A 的充電電流和更出色的熱性能

BQ25173-Q1 需要與升壓 IC 配對，如充電器 + 升壓獨立方框圖中所示。BQ25856-Q1 是高功率充電應用（如 MCU 場）的理想選擇，具有以下優勢：

• 支持高輸入和輸出電壓應用，輸入和輸出可耐受高達 70V 的電壓
• 能夠以正向和反向功率模式對超級電容器進行充電和升壓
• 在正向和反向模式下，以高達 20A 的充電電流快速對超級電容器充電
• 在 -40°C 至 125°C 環境溫度下，以 +-0.5% 的充電電壓精度幫助將超級電容器充電至目標充電電壓

BQ25856-Q1 充電控制器的寬 Vin 范圍支持直接連接到 12V 或 48V 汽車電池，反向升壓模式功能可在提供不間斷系統電源的同時節省額外的升壓轉換器 IC。BQ25173-Q1 和 BQ25856-Q1 超級電容器充電器有助于為低功率和高功率超級電容器備用應用提供設計。

結語

隨著更多的 EV 系統采用電力驅動，超級電容器備用電源越來越受歡迎，充電口和 MCU 場就是兩個需要備用電源的示例。BQ25173-Q1 和 BQ25856-Q1 是兩個可用于汽車級備用應用的超級電容器充電器選項。BQ25173-Q1 是用于具有線性拓撲的 EMI 敏感系統的良好選項，需要外部升壓 IC 來使超級電容器放電。BQ25856-Q1 是用于高功率應用的開關充電控制器選項，反向模式功能可對超級電容器進行升壓，從而提供不間斷電源來支持系統。BQ25173-Q1 和 BQ25856-Q1 可幫助工程師為電動汽車系統設計各種超級電容器備用系統。