对于今天的大多数设计团队来说，在有限的空间内开发电池供电的消费电子产品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(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竞争。
对于某些应用，如具有相机闪光灯功能的智能手机，峰值功率负载明显高于任何其他使用情况，尽管这是一种瞬态情况。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，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。固态硬盘备份电源，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，它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)采用铝膜包装，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，并且每一片都由隔板进行机械和电隔离。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使用类似的方法来使用其EDLC252520系列，如EDLC252520-351-2F-21，350 mF和3.2 V DC工作电压。
图2:村田EDLC包装示例
相比之下，松下的黄金系列EDLC采用了几种不同特点的结构形式。纽扣电池格式用于太阳能手表的内存备份应用和辅助电源。多个堆叠纽扣电池阵列用于工业和汽车存储器备份应用，而ESR相对较低的圆柱形封装则用于玩具等电流较高的应用。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，该模型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活性炭表面，但更深的离子需要更长的时间。表面接受电荷很快，但更深的层需要更长的时间才能完全充电。为了在等效电路模型中考虑这一点，更精确的表示(见图4)包含多个并联电容和串联电阻。
图4:4:EDLC的详细等效电路模型
一般来说，大多数超级电容器EDLC器件制造商提供的器件电容值从几百毫法到几法不等，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的储能，而470 mF 4.2 V EDLC可存储2，000 MJ的能量。考虑到钽电容器短路时会着火，成本高，铝的尺寸大，寿命周期有限，对于提供高峰负荷或备用电源的应用，EDLC是理想的选择。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，与用锂钮扣电池代替EDLC相比，锂电池只能提供很低的功率。
给EDLC充电通常只需要几分钟，取决于设备的有效电阻(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5: EDLC充电-内阻与时间的关系
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说明了EDLC Murata DMF系列的情况。由于内部ESR，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:EDLC村田DMF 7的放电曲线
如前所述，有许多非常适合EDLC的用例。
图8展示在基于电池的设计中使用EDLC作为负载峰值平衡的方法。当负载需求超过单独电池的容量时，组合电源可以提供额外的功率来补充电池的功率输出，从而满足应用需求。
图8:峰值负载平衡
在本文提到的用例场景中，提供EDLC来提供高峰值功率的能力如图9所示。这样的峰值负载可能是智能手机上相机的闪光灯功能，也可能是电机启动时的峰值负载。通过使用EDLC而不是使用更高额定的电池来实现这些功能，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断电是关键事件。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/关机过程将不会发生。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青睐。EDLC可以提供大量的能量，占用很少的电路板空间，并具有良好的可靠性和老化特性，因此它将非常受欢迎。
