当前，越来越多的超级电容器应用于小功率短时后备电源，例如电力用Ⅰ/Ⅱ型集中器、故障指示器、汽车行车记录仪、北斗导航控制器等等。然而，在实际使用过程中，很多隐性的问题逐渐凸现，例如超级电容周边PCB腐蚀、超级电容鼓底或提前失效等等，这些问题给超级电容的应用带来不小的困扰。正是基于此，需要设计一款高集成度微型超级电容后备电源，一方面可以保证超级电容极其相关电路的独立性；另一方面，有利于提升超级电容充放电管理电路的性能，避免不恰当的管理电路设计带来的负面影响。
为解决现有分离式超级电容应用中出现的问题，结构设计主要应实现如下几个要求：
（1）整体外形与超级电容自身结构兼容。当前市场上圆柱状卷绕式超级电容占主导地位，为充分压缩模块超级电容后备电源模块整体体积，且不显著改变原有电容的封装外形，结构整体轮廓需与超级电容本体紧密结合与匹配。
（2）PCB板集成简易。超级电容后备电源模块应预留足够的空间给充放电管理电路PCB使用，同时该空间位置应方便PCB安装，以最大限度减少PCB集成难度。
（3）超级电容后备电源模块采取整体灌胶密封处理，为此，在整体结构设计过程中，应通过内部组件之间的配合，预留必要的胶液通道，这样既可以保证灌胶的质量，也可以保证灌胶的效率。
（4）精简加工工序。超级电容后备电源模块内部各组件应可实现简单快速安装，以适应后续批量化生产的要求。
2、电路设计
可见，超级电容后备电源模块主要由充电管理单元M1、放电管理单元M2、超级电容模组SC1和不间断控制单元L1四个部分构成。其中，充电管理单元M1依据不同的充电时间要求，结合超级电容自身特性完成对超级电容模组SC1的充电；放电管理单元M2则根据不同的放电负载要求而进行放电；不间断控制单元L1则通过逻辑控制在输入供电掉电时，将超级电容无缝切入，继续给负载供电。
相比较而言，超级电容器的储能密度低于常用锂电池或铅酸电池。正是基于此，在很多微小功率短时后备电源的场合，例如几秒到几十秒之内后备供电时间，超级电容器是诸多储能器件中较为理想的一种选择。这主要体现在如下几个方面：
首先，超级电容器充放电管理比较简单。铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电池等等电池，均需要严格的充放电管理电路，同时，充放电管理电路也较为复杂，充放电过程中，电压、电流需按照电池特性进行分阶段控制，还要对电池工作温度进行实时监控和报警。对微小功率后备电源来说，复杂的充放电管理电路，一方面会增加电路设计难度，另一方面也会导致模块体积偏大，成本偏高。而选用超级电容器，其充放电电路可以极大简化，在体积和成本方面的优势尤其突出。
其次，超级电容器能量利用率高。当前市面上的电池产品，小微容量产品极少，很难寻找到一款几个或数十个mAh的成熟电池产品。若选用传统电池来制作微小功率短时后备电源模块，只能选择较大容量的电池产品，无形之中构成电池储能的极大浪费。电池的储能如不及时利用，随着时间的延长会在内部消耗，能量利用率极低。
再次，超级电容充电速度快。传统电池要完成饱和充电，需要一个或几个小时才可以完成，过快的充电速度会造成电池电芯内部剧烈化学反应，使电池内芯温度剧增，严重时甚至发生裂缝、爆炸、起火等危险。超级电容器具备高功率密度，可以承受大电流快速充电，进而极大缩减充电时间，在数秒或者数分钟之内即可储存90%以上的能量。
还有，超级电容器组合简单灵活。当前市场上主流超级电容器单体为柱状引针式，类似于常见的铝电解电容，串并联均比较灵活，简单组合即可构成多种电压和容量规格等级。可见，超级电容特有的封装形式，保证其组合的灵便性，这是传统电池所无法企及的。
综上，选择超级电容器作为小微功率短时后备电源储能器件。
1）充电管理单元设计
恒流限压充电特性曲线
（2）放电管理单元设计
根据实际负载电压需求，可选择不同的升降压方案来完成放电单元电路设计。放电管理单元电路具备如下几个特性：
①超级电容模组漏电损耗极低。放电管理单元待机过程中，升降压电路处于关断状态，即升降压电路不工作。超级电容模组SCM1通过放电管理电路产生的漏电极小，相应产生的漏电损耗也极低。
②放电单元开关可控。除了上文描述的Vin掉电控制放电单元开启工作外，还可以通过在外部施加电平控制信号来实现SCM1的放电。在很多不需要超级电容模组立即放电的场合，可以通过外部施加信号CTRL编程，实现分时输出电压或者按某一特定频率输出电压等等应用，扩展超级电容后备电源模块功能。
（3）不间断控制单元设计
（4）设计比较优势
综合上述设计不难发现，该超级电容后备电源模块具备如下几个突出优势：
1）高集成度。将超级电容模组及其充放电管理电路合二为一，具备较高的集成度。使用该模块可以简化超级电容终端用户电路设计，免去终端用户设计充放电管理电路的困扰，让终端用户产品设计更加简单、高效。
2）输出灵活控制。模块预留CTRL外部控制信号，终端用户可以通过CTRL信号编程，实现所需的特定电压输出时序。当终端用户不使用CTRL信号时，模块自动默认为不间断后备电源模式。这无疑都极大地增加了终端用户使用的灵活性。
3）宽输入电压。模块内置两级降压电路，可适应宽范围输入电压。即使输入电压出现大范围波动，模块也可通过自身调整实现可靠充电。当然，宽的输入电压范围也能让模块兼容多个输入电压轨，增加其适用性。
4）环境适用性强。模块整体采用灌胶密封处理，防水、防潮、防腐蚀，防护等级较高，可适用于各类一般恶劣环境。
5）避免漏液风险。当前，长期使用中“漏液”腐蚀PCB问题已经引起各大超级电容厂商和终端用户的高度关注，经过前期探索和试用，采用二次灌胶密封处理可以有效避免“漏液”问题的发生，并得到大家的广泛认可。模块正好可以解决这一行业难题，解除“漏液”腐蚀PCB困扰；
6）易安装和维护。模块自成一体，类似与独立电池系统。当模块发生故障时，直接更换即可，维护工作量较小。而采用分离式电路设计，一旦充放电管理电路出现故障，不得不更换整个终端产品，并仔细排查整个产品中每一个电路模块，这显然会增加维护成本，也加大了维护工作量。
3.设计比较优势
综合上述设计不难发现，该超级电容后备电源模块具备如下几个突出优势：
1）高集成度。将超级电容模组及其充放电管理电路合二为一，具备较高的集成度。使用该模块可以简化超级电容终端用户电路设计，免去终端用户设计充放电管理电路的困扰，让终端用户产品设计更加简单、高效。
2）输出灵活控制。模块预留CTRL外部控制信号，终端用户可以通过CTRL信号编程，实现所需的特定电压输出时序。当终端用户不使用CTRL信号时，模块自动默认为不间断后备电源模式。这无疑都极大地增加了终端用户使用的灵活性。
3）宽输入电压。模块内置两级降压电路，可适应宽范围输入电压。即使输入电压出现大范围波动，模块也可通过自身调整实现可靠充电。当然，宽的输入电压范围也能让模块兼容多个输入电压轨，增加其适用性。
4）环境适用性强。模块整体采用灌胶密封处理，防水、防潮、防腐蚀，防护等级较高，可适用于各类一般恶劣环境。
5）避免漏液风险。当前，长期使用中“漏液”腐蚀PCB问题已经引起各大超级电容厂商和终端用户的高度关注，经过前期探索和试用，采用二次灌胶密封处理可以有效避免“漏液”问题的发生，并得到大家的广泛认可。模块正好可以解决这一行业难题，解除“漏液”腐蚀PCB困扰；
6）易安装和维护。模块自成一体，类似与独立电池系统。当模块发生故障时，直接更换即可，维护工作量较小。而采用分离式电路设计，一旦充放电管理电路出现故障，不得不更换整个终端产品，并仔细排查整个产品中每一个电路模块，这显然会增加维护成本，也加大了维护工作量。
