Stosowanie pojedynczego superkondensatora jako rezerwy dla zasilania 5V

Zagadnienia projektowe dotyczące superkondensatorów

Jeśli produkt elektroniczny ma polegać na superkondensatorze jako źródle zasilania rezerwowego, projektant powinien rozumieć sposób doboru najlepszego komponentu, aby zapewnić niezawodne magazynowanie i dostarczanie energii oraz długi okres użytkowania.

Jedną z pierwszych rzeczy, które należy sprawdzić w arkuszu danych, jest wpływ temperatury na pojemność i rezystancję. Dobrą praktyką w projektowaniu jest wybór urządzenia, które wykazuje bardzo niewielkie zmiany w zakresie przewidywanych temperatur roboczych produktu końcowego, dzięki czemu w razie potrzeby zasilania rezerwowego, dostarczane napięcie będzie stabilne, a energia zostanie dostarczona z wysoką sprawnością.

Okres użytkowania superkondensatora jest w dużej mierze uzależniony od łącznego wpływu napięcia roboczego i temperatury (ilustracja 3). Superkondensatory rzadko ulegają krytycznym awariom. Jednak ich pojemność i rezystancja wewnętrzna zmieniają się z upływem czasu i stopniowo obniżają parametry działania do momentu, w którym nie będzie on już w stanie spełnić specyfikacji produktu końcowego. Pogarszanie parametrów działania jest zazwyczaj większe na początku okresu użytkowania produktu końcowego, a zmniejsza się wraz z upływem czasu.

Ilustracja 3: Wyższe temperatury i przyłożone napięcia mogą skrócić okres użytkowania superkondensatora. (Źródło ilustracji: Elcap, CC0, via Wikimedia Commons, zmodyfikowane przez autora)

Napięcie na superkondensatorze używanym w zasilaniu rezerwowym utrzymuje się na poziomie roboczym przez długi czas, a jedynie od czasu do czasu wymagane jest rozładowanie zmagazynowanej energii. Ostatecznie wpływa to parametry działania. W arkuszu danych można znaleźć informacje o spadku pojemności w funkcji czasu dla typowych napięć roboczych i różnych temperatur. Na przykład w przypadku superkondensatora na którym napięcie 2,5V utrzymuje się przez 88 tys. godzin (10 lat), przy temperaturze 25˚C może wystąpić 15% redukcja pojemności i 40% wzrost rezystancji wewnętrznej. Taki spadek parametrów działania należy uwzględnić przy projektowaniu urządzeń do zasilania rezerwowego dla produktów końcowych o długim okresie użytkowania.

Stała czasowa kondensatora to czas potrzebny na osiągnięcie przez urządzenie 63,2% pełnego naładowania lub na rozładowanie się do 36,8% pełnego naładowania. Stała czasowa superkondensatora wynosi około jednej sekundy - jest to czas znacznie krótszy niż w przypadku kondensatora elektrolitycznego. Ze względu na tak krótką stałą czasową projektanci powinni zapewnić, że superkondensator zasilania rezerwowego nie jest narażany na ciągłe prądy tętniące, ponieważ mogłoby to spowodować uszkodzenie.

Superkondensatory mogą pracować w zakresie napięć od 0V do ich maksymalnego napięcia znamionowego. Podczas pracy w najszerszym zakresie napięć osiągnięto efektywne wykorzystanie dostępnej energii i zdolności jej magazynowania przez superkondensator, jednak większość komponentów elektronicznych ma minimalny próg napięcia. Ten wymóg minimalnego napięcia ogranicza ilość energii, jaką można pobrać z kondensatora.

Na przykład energia zgromadzona w kondensatorze wynosi E = ½CV2. Z tej zależności można obliczyć, że jeśli układ działa przy połowie napięcia znamionowego kondensatora (np. od 2,7 do 1,35V), dostępne jest około 75% zmagazynowanej energii.

Wyzwania projektowe związane z użyciem wielu superkondensatorów

Zalety superkondensatorów sprawiają, że nadają się one do zasilania rezerwowego szerokiej gamy produktów elektronicznych, jednak projektant musi być świadom wyzwań z nimi związanych. Wdrożenie obwodu zasilania rezerwowego może być dla niedoświadczonego inżyniera trudnym przedsięwzięciem. Kluczowa trudność polega na tym, że dostępne na rynku superkondensatory są przystosowane do napięcia około 2,7V, więc zasilenie typowej szyny 5V wymaga zastosowania dwóch superkondensatorów w układzie szeregowym (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Dostępne na rynku superkondensatory są przystosowane do napięcia około 2,7V, więc zasilenie typowej szyny 5V wymaga zastosowania dwóch superkondensatorów w układzie szeregowym, co komplikuje proces projektowania. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Chociaż jest to zadowalające rozwiązanie robocze, wiąże się ono z dodatkowymi kosztami i złożonością ze względu na potrzebę aktywnego lub pasywnego równoważenia ogniw. Ze względu na tolerancje pojemności, różne prądy upływu i różne równoważne rezystancje szeregowe, napięcia na co najmniej dwóch nominalnie jednakowych i w pełni naładowanych kondensatorach mogą być różne. Takie niezrównoważenie napięcia powoduje, że jeden superkondensator w obwodzie rezerwowym dostarcza wyższe napięcie niż drugi. W miarę wzrostu temperatury i starzenia się superkondensatora wspomniane niezrównoważenie napięcia może osiągnąć punkt, w którym napięcie jednego superkondensatora będzie przekraczać wartość znamionową i wpłynie na jego żywotność.

Ogniwa w niewymagających zastosowaniach są równoważone poprzez umieszczenie rezystora obejściowego równolegle z każdym ogniwem. Wartość rezystora jest dobierana tak, aby każdorazowo przepływ prądu przekraczał całkowity prąd upływu superkondensatora. Ta technika skutecznie zapewnia, że wszelkie różnice równoważnej rezystancji równoległej pomiędzy superkondensatorami są pomijalne. Na przykład: jeśli superkondensatory w obwodzie rezerwowym mają średni prąd upływu 10μA, rezystor 1% pozwoli na obejście prądu 100μA, zwiększając średni prąd upływu do 110μA. W ten sposób rezystor skutecznie zmniejsza różnice prądów upływu pomiędzy superkondensatorami z kilkudziesięciu do zaledwie kilku procent.

Przy dość dobrym dopasowaniu wszystkich rezystancji równoległych, wszystkie superkondensatory o wyższych wartościach napięcia będą rozładowywane przez swoją równoległą rezystancję w większym tempie niż superkondensatory o niższych wartościach napięcia. W ten sposób całe napięcie rozkłada się równomiernie w całym szeregu superkondensatorów. W przypadku bardziej wymagających zastosowań wymagane jest bardziej zaawansowane równoważenie superkondensatorów.

Użycie pojedynczego superkondensatora do zasilania 5V

Obwód zasilania rezerwowego może być mniej skomplikowany i zajmować mniej miejsca, jeśli zamiast dwóch lub więcej superkondensatorów użyjemy jednego. Takie rozwiązanie eliminuje potrzebę równoważenia superkondensatorów. Jednakże napięcie wyjściowe 2,7V z jednego urządzenia musi zostać zwiększone za pomocą regulatora podwyższającego napięcie do poziomu wystarczającego, aby przekroczyć spadek napięcia na diodzie i zasilić układ napięciem 5V. Superkondensator jest ładowany przez urządzenie ładujące i rozładowuje się w razie potrzeby przez przetwornicę podwyższającą. Diody umożliwiają zasilanie układu z głównego źródła zasilania lub z superkondensatora (ilustracja 5).

Ilustracja 5: zastosowanie pojedynczego superkondensatora w obwodzie rezerwowym eliminuje potrzebę równoważenia ogniw, ale wymaga zastosowania regulatora podwyższającego napięcie wyjściowe superkondensatora. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Bardziej eleganckim rozwiązaniem jest użycie jednego kondensatora wraz ze specjalną przetwornicą napięcia, taką jak opracowana przez firmę Maxim Integrated odwracalna obniżająco-podwyższająca przetwornica napięcia MAX38888 lub MAX38889. Pierwsza z nich oferuje napięcia w zakresie od 2,5V do 5V i wyjściowe natężenie prądu do 2,5A, podczas gdy druga oferuje napięcia w zakresie od 2,5V do 5,5V i natężenie 3A (ilustracja 6).

Ilustracja 6: odwracalny regulator MAX38889 (lub MAX38888) używany w obwodzie zasilania rezerwowego z superkondensatorem eliminuje potrzebę stosowania osobnej ładowarki i urządzeń podwyższających napięcie oraz diod. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Urządzenie MAX38889 jest elastycznym regulatorem zasilania rezerwowego z kondensatorem lub zespołem kondensatorów magazynujących, który umożliwia wydajne przekazywanie mocy między superkondensatorami a szyną zasilającą układu. Gdy główne zasilanie jest dostępne, a jego napięcie przekracza minimalny próg napięcia zasilania układu, regulator działa w trybie ładowania i ładuje superkondensator z maksymalnym szczytowym natężeniem prądu 3A i średnim natężeniem cewki indukcyjnej 1,5A. Aby można było uaktywnić podtrzymanie zasilania, superkondensator musi być w pełni naładowany. Po naładowaniu superkondensatora obwód pobiera tylko 4μA prądu, utrzymując jednocześnie stan gotowości komponentu.

Po wyłączeniu zasilania głównego regulator zapobiega spadkowi napięcia zasilania poniżej ustawionego napięcia zasilania rezerwowego układu poprzez zwiększenie napięcia superkondensatora do wymaganego napięcia układu przy zaprogramowanym szczytowym natężeniu cewki indukcyjnej, maksymalnie do 3A. Regulator odwracalny może pracować przy napięciu zasilania superkondensatora zaledwie 0,5V, co pozwala na maksymalne wykorzystanie zmagazynowanej energii.

Czas trwania podtrzymania zasilania zależy od rezerwy energii w superkondensatorze i poboru mocy przez układ. Charakterystyka produktów firmy Maxim Integrated pozwala na uzyskanie maksymalnego zasilania rezerwowego z jednego superkondensatora 2,7V, przy jednoczesnym zmniejszeniu liczby komponentów obwodu poprzez wyeliminowanie konieczności stosowania osobnej ładowarki i urządzeń podwyższających napięcie oraz diod.

Podsumowanie

Jeśli chodzi o zasilanie rezerwowe, superkondensatory oferują kilka zalet w porównaniu z bateriami wtórnymi w określonych zastosowaniach, np. wymagających częstej wymiany baterii. W porównaniu z bateriami superkondensatory ładują się szybciej, wytrzymują o wiele więcej cykli ładowania-rozładowania oraz oferują znacznie większą gęstość mocy. Jeśli jednak potrzebujemy zasilania o typowym napięciu 5V, ich maksymalne napięcie wyjściowe 2,7V stwarza pewne wyzwania w projektowaniu.

Odwracalne regulatory obniżająco-podwyższające napięcie to wygodne rozwiązanie, które pozwala na podtrzymanie zasilania linii 5V z wykorzystaniem jednego superkondensatora przy jednoczesnym zminimalizowaniu zajmowanej przez komponenty przestrzeni oraz ich liczby.

Autor: Steven Keeping

Źródło: Stosowanie pojedynczego superkondensatora jako zasilania rezerwowego dla zasilania 5V

Kontakt w Polsce: Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl