超级电容，是你的救星还是克星

超级电容自出生就自带光环：

①超级电容很小的体积下达到法拉级的电容量；

②无须特别的充电电路和控制放电电路；

③和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；

④超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题等诸多的优点，经常被电子工程师用来做掉电保存、备用电源等，以达到设备掉电后继续保存数据、上报事件等用途。虽然超级电容光环无数，但也存在瑕疵：内阻大，在一些场合可能引发其他问题。本文就介绍一个由超级电容引发的白盒测试问题。

一、问题的起源

笔者最新作的一个项目，是一个户外监控产品，该产品的主要功能是：安装在户外，视频监控周边情况，同时将采集到的视频上传给服务器，同时还必须具备一个核心的功能：一旦设备掉电，就必须掉电后向服务器上报该掉电事件。（这个需求的目的是：因为设备会有很多种原因离线，例如设备损坏、网络不好、设备掉电等，客户需要该产品的在线率，设备掉电这种非产品故障的离线不能统计在离线率中。）。因为成本的原因，不可能给客户使用电池，单上报掉电事件，使用超级电容是最合理的，一旦掉电后，设备继续工作2秒钟左右，把该事件上报完成就可以掉电了（使用电池及其充电电路，成本10元以上，超级电容无需专门充电电路，可以控制在3元以内）。

在产品的硬件白盒测试（一种测试产品内部电路的测试）,测试过程中发现如下的问题，下图1所示，产品掉电后，复位信号有十几个连续的震荡，该震荡会导致设备反复的启动，可能导致产品的寿命降低。

图1 ：产品掉电时复位信号输出震荡

二、产品的设计原理

我们先分析产品的主要的工作原理。主要由3部分电路组成。分别是：超级电容充放电电路；复位信号电路，电源电压检测电路。、

1) 超级电容充放电电路﹕如下图2所示，超级电容的充放电电路非常简单，电阻R10主要用作充电时限流作用；电阻R7和R8用作均衡电压的作用，保持两个超级电容的两端电压一样，这样有利于超级电容的寿命；两个超级电容采用串联的方式，电压是两个电容的叠加，容量减少一半。二极管D1提供掉电时的放电通道。

图2 ：超级电容充放电电路

2) 复位电路﹕复位电路使用MAX809STR，该芯片主要检测VCC引脚的电压，上电达到3.3V时，延迟200ms左右输出高电平，设备开始工作。当VCC电源跌落至2.93V时，RESET引脚输出低电平，CPU停止工作。

图3： 复位电路

3) 电源电压检测电路；该电路检测5V输入的主电源，电源电压高于3.5V时候输出EN信号，用于打开其他的电源，如3.3V、1.8V、1.5V等；低于3.5V时候关闭其他电源通道。

图4： 电源电压检测原理图

4) 上下电时序图；根据上述的3个电路，得出理想的上下电时序如下图5。上电时，5V电源缓慢上升，达到3.5V以后，其他电源的EN引脚输出高电平，3.3V、1.8V、1.5V等先后上电，延迟200ms左右复位输出高电平，系统开始工作。下电时，由于超级电源的缓慢放电实际的掉电时序非常的糟糕。首先是5V主电源下降到3.6V左右有轻微的抖动，导致了电源控制EN信号发生震荡，导致了3.3V和1.8V输出也震荡。跌落至3.5V左右时，又导致复位信号输出震荡。上述的这种快速的震荡，虽然是用户感受不到，但是会导致设备的反复重启，从而降低产品的寿命。

图5：理想的上下电时序图

图6： 实际下电试时的时序

三、电源及复位震荡的原因

超级电容的等效放电模型如下，超级电容的内阻非常可观，从数百mΩ到数Ω，并且，超级电容非恒压或恒流源，放电过程能量一直下降，如下图7的A点，一旦主电源5V下降到3.6v,EN 信号就会变低，3.3V、1.8V等就会关闭，导致负载（下图R21所示）变轻，主电源5V就会有一个瞬间的拉升，又超过3.6V，EN信号又打开，3.3V、1.8V等就会开启，重复循环，直到超级电容的能量不足以拉升到3.6V以上，系统才不会被重启。复位震荡的原理也是一样，只是复位的阀值是3.5V。

图7：超级电容放电的等效模型及放电过程

四、解决办法

经过上述的原因分析，聪明的读者应该有了答案，既然超级电容的放电特性无法改变，我们就改变电压检测的阀值，5V主电源上升和下降时的电压阀值分别设置，不再是同一个值。EN和RESET的阀值分别设置为：

1) EN信号阀值：设备上电时，5V主电源达到4.8V，EN才会输出高电平。设备掉电时，5V主电源跌落到3.6V时，EN才会输出低电平。如下图8所示。

2) RESET信号阀值：设备上电时，5V主电源达到4.8V，RESET延迟200mS才会输出高电平。设备掉电时，5V主电源跌落到3.5V时，RESET才会输出低电平。如下图8所示。

如果时序上能够满足上述的要求，超级电容放电过程因负载变轻电压被拉升的问题就可以忽略，就不会存在NE和RESET的震荡，设备就不会反复重启。

图8：设备EN和RESET的时序设计要求

五、具体实现电路

具体的实施电路，就是在上述图4中增加下图9的R5，使电路构成一个滞回电路，通过修改R5、R6、R1、R2几个数值，可以方便的设置上电和下电时候的阀值。EN信号问题即可解决。RESET问题可以将复位芯片的VCC引脚的取EN的输出。

电路原理解释：

1) 电压较低时，Q1尚未开启，根据分压原理，R7电压VB=VA×R6÷（R5 R6）；VA=VCC x （R2//（R5 R6））÷{R1 R2//（R5 R6}。

2) 一旦电压上升，达到VA=2.5V,Q1打开，R7的电压VB≈VCC。

3) 电压下降时，由于Q1仍然打开，根据分压原理，VA=VCC x R2÷（R1//R5 R2），一旦A电电压跌落至2.5V时，就关闭Q1；等待下一次的电压上升。

图9：设备EN和RESET的时序设计要求

如下图10，设备上电时，VCC5V只有达到4.8V，才会开启控制信号EN为高电平，超级电容掉电时瞬间拉升不可能达到4.8V,所以就不会电源存在震荡和复位震荡。

图10：设备上电时的电源开启阀值

如下图11，设备下电时，VCC5V只有达到3.6V，控制信号EN才变为低电平，从而保证系统从5V跌落至3.1V时，设备仍然可以工作，期间可供软件工程师保存数据或者掉电上报。

图11：设备下电时的电源关闭阀值

六、后记

上述的问题解决方案主要利用了TL431的内置2.5V基准和自带比较功能，设计的一个电压范围可调的宽压电压滞回电路。可有效的解决使用超级电容做备用电源放电时，由于超级电容自身特性导致的电源震荡和复位震荡问题。