为什么用超级电容代替钮扣电池？主备切换电路工作原理分析

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一、为什么用超级电容代替纽扣电池？
可充电纽扣电池存在充放电循环次数限制，也会自然老化，长期运行需要更换。超级电容循环寿命可达五十万次以上，理论寿命可达十年以上，适合长期稳定运行且不便维护的设备。
锂电池在高温或低温下性能会急剧下降，甚至损坏，而超级电容通常能适应零下四十摄氏度到七十摄氏度甚至更宽的温度范围。电池含有重金属和有害化学物质，处理不当会污染环境，超级电容材料相对更环保。电池还存在化学退化问题，在振动等恶劣环境下可靠性会下降。超级电容没有记忆效应，可以随时充电而不影响容量。
二、电路组成与主备电切换
典型RTC备电电路由两个二极管、一个限流电阻和一个超级电容组成。主电存在时，主电通过二极管D1给RTC供电，同时经二极管D1和限流电阻R2给超级电容C1充电。主电掉电后，超级电容C1通过备电支路D2向RTC放电。
二极管的单向导电性使主电正常时不会向备电支路反向灌入电流，也避免备电工作时电流回流到已经掉电的主电回路，从而实现主备电自动切换。整个电路结构简单，不需要额外控制芯片。如图示

三、二极管单元
二极管在RTC备电电路中承担方向控制和电源隔离功能。主电正常供电时，二极管D2反偏截止避免主电通过备电支路反向流入备电电源，防止备电电源过充损坏。

备电工作时D2导通，二极管D1反偏截止防止备电电流反向流入主电回路，保障备电电流仅供给RTC芯片。

利用二极管的单向导电性，主电电压高于备电电压时由主电供电，主电掉电后备电支路导通，实现无缝切换。肖特基二极管正向压降较小，可减少备电损耗，其结电容还能吸收部分上电瞬间的电压尖峰，降低电压突变对RTC内部时钟振荡电路的影响。
四、限流电阻单元
限流电阻通常串联在备电电源与RTC芯片备电引脚之间，阻值选型多在十欧姆到一千欧姆之间。RTC芯片供电端会并联滤波电容稳定电压，上电或备电切换瞬间，电容近似短路，容易产生瞬时大电流。限流电阻通过自身阻抗限制浪涌电流，避免击穿电容。电路中二极管或电源管理芯片切换主电和备电时，电压差可能导致切换器件承受瞬时过流，限流电阻可以分担电流，降低器件电流应力，减少发热老化，同时减少切换时的电压抖动，保障RTC时钟信号不中断。若电路出现短路故障，限流电阻可将短路电流限制在安全范围，防止备电电源瞬间大电流放电导致漏液、鼓包，也避免RTC芯片被过流烧毁。
五、放电过程与备份时间
为RTC供电是一个近似恒功率或恒电流放电过程。RTC及其外围电路的功耗可以简化为一个恒定电流负载。放电时，超级电容的电压随电荷流出而下降，在恒流负载下近似线性下降，直到达到RTC最低工作电压。实际可维持时间由超级电容容量、初始电压、最低工作电压、RTC负载电流、超级电容漏电流以及二极管反向漏电共同决定。容量越大、允许电压降越大、总放电电流越小，备份时间越长。
以STM32的RTC为例，若RTC工作电流为一点五微安，最低工作电压为一点二伏，主电为三点三伏，要求断电维持三十天，并假设超级电容漏电流为二微安，则总放电电流约为三点五微安，理论上需要约四点三法拉的超级电容。工程上通常选择不小于四点五法拉且漏电流受控的器件。实际超级电容的漏电流和自放电往往较大，长期备电设计必须核实漏电流，否则仅按容量计算无法保证三十天。