Zasilanie zapasowe oparte o superkondensator

Powszechnym wymogiem w wielu zastosowaniach jest konieczność stosowania tymczasowego zasilania awaryjnego. Jako przykład można podać aplikacje do tworzenia kopii zapasowych danych, od serwerów po dyski półprzewodnikowe, alarmy awarii zasilania w zastosowaniach przemysłowych lub medycznych oraz wiele innych funkcji ‘ostatniego oddechu’, w których należy zapewnić prawidłowe przełączenie i przekazanie alertu o stanie systemu. W przeszłości, do zapewnienia nieprzerwanego źródła zasilania, gdy główne źródło zasilania było niewystarczające lub niedostępne, tego rodzaju systemy wykorzystywały baterie. Jednak konieczności podtrzymania baterii towarzyszy wiele kompromisów, w tym długie czasy ładowania, ograniczony cykl życia baterii, kwestie bezpieczeństwa i niezawodności oraz duży rozmiar fizyczny. Wraz z pojawieniem się wysokowartościowych dwuwarstwowych kondensatorów, lepiej znanych jako superkondensatory, można zastosować alternatywne architektury zasilania zapasowego, eliminując wiele z tych kompromisów.

Baterie a kondensatory

Systemy wykorzystujące baterie jako źródło zasilania awaryjnego wymagają, aby w pełni naładowany akumulator o odpowiedniej pojemności był dostępny przez cały czas, tak aby był w stanie utrzymać przy życiu pamięć ulotną lub alarmy dźwiękowe do momentu przywrócenia zasilania. Zazwyczaj, w przypadku awarii głównego zasilania, systemy korzystające z podtrzymania bateryjnego przechodzą w stan czuwania przy niskim poborze mocy, a zasilane są tylko krytyczne sekcje pamięci ulotnej lub alarmów systemu. Ponieważ czas trwania awarii zasilania jest niemożliwy do przewidzenia, aby uniknąć możliwości utraty danych podczas długotrwałej awarii, systemy takie wymagają przewymiarowanych baterii.

Systemy backupu oparte na kondensatorach wykorzystują inną metodologię. W przeciwieństwie do systemów opartych na bateriach, które zapewniają ciągłe zasilanie przez cały czas podtrzymania, systemy oparte na kondensatorach wymagają jedynie krótkotrwałego zasilania podtrzymującego w celu przeniesienia niestabilnych danych do pamięci flash lub zapewnienia działania alarmu przez minimalnie niezbędny czas. Po zapisaniu wymaganych danych i prawidłowym wysłaniu alarmów awarii zasilania, czas przywrócenia zasilania nie ma znaczenia.

Takie podejście ma kilka zalet. Przede wszystkim, można całkowicie uniknąć licznych kompromisów związanych z bateriami. Nie ma również potrzeby przewymiarowywania elementów magazynujących energię, aby zapewnić podtrzymanie zasilania nawet w najgorszym możliwym scenariuszu. Podczas gdy wymagania dotyczące zasilania awaryjnego systemu opartego na kondensatorach są zwykle znacznie wyższe niż w przypadku systemu opartego na bateriach, wymagania dotyczące ilości zapasowej energii są zwykle znacznie niższe. Ponieważ koszt i rozmiar podsystemu zasilania zapasowego jest zwykle determinowany przez element magazynujący, rozwiązania oparte na kondensatorach są często mniejsze i tańsze. Wraz z pojawieniem się małych, stosunkowo niedrogich superkondensatorów zdolnych do przechowywania wielu dżuli energii, liczba aplikacji zasilania zapasowego opartego na kondensatorach zamiast baterii znacznie wzrosła.

Wymagania systemowe zasilania zapasowego

Wszystkie systemy zasilania awaryjnego oparte na kondensatorach mają wiele wspólnych elementów. Do ostrzegania systemu podczas przechodzenia z normalnej pracy do trybu rezerwowego oraz do zasilania odbiornika z właściwego źródła wymagane jest sterowanie ścieżką zasilania Power Path™ i wykrywanie awarii zasilania. Kondensator musi być naładowany i najlepiej, aby odbywało się to szybko i wydajnie. Ponieważ zapewnienie zasilania zapasowego nie jest możliwe, jeśli w kondensatorze nie jest przechowywana odpowiednia liczba dżuli, wiele aplikacji wymaga, aby jego ładowanie zostało zakończone przed uruchomieniem systemu i zgłoszeniem gotowości do pracy. W związku z tym, wymagany jest wysoki prąd ładowania, a ponieważ superkondensatory zwykle mają maksymalne napięcie robocze 2,7 V, powszechne i często konieczne jest, aby kilka superkondensatorów było ułożonych szeregowo. W takich przypadkach, aby zapobiec uszkodzeniom i skróceniu żywotności spowodowanych przepięciem, należy wprowadzić funkcje równoważenia i zapewnić ochronę kondensatorów podczas ładowania.

Rysunek 1 przedstawia uproszczony schemat zastosowania LTC3350, stanowiącego układ ładowania kondensatorów i sterownik zasilania rezerwowego, zaprojektowanego specjalnie do aplikacji zasilania rezerwowego opartego o  kondensator. Układ może ładować, bilansować i zabezpieczać do czterech kondensatorów ułożonych szeregowo. Takie parametry jak próg awarii zasilania wejściowego, napięcie ładowania kondensatora i regulowane minimalne napięcie podtrzymujące można zaprogramować za pomocą zewnętrznych rezystorów. Dodatkowo urządzenie zawiera bardzo dokładny, 14-bitowy wewnętrzny przetwornik ADC, który monitoruje napięcie i prąd na wejściu, wyjściu oraz na kondensatorze. Wewnętrzny system pomiarowy monitoruje również parametry samych kondensatorów zapasowych, w tym napięcie stosu kondensatorów, ich pojemność i ESR stosu (equivalent series resistance, równoważna rezystancja szeregowa). Wszystkie parametry systemu i błędy odczytywane są przez magistralę I2C, a poziomy alarmów można ustawić tak, aby ostrzegały system o nagłej zmianie któregokolwiek z mierzonych parametrów.

Rysunek 1. Wysokoprądowa ładowarka superkondensatorowa i kontroler zapasowego układu zasilania.

Podstawy ładowania superkondensatorów

Ładowanie superkondensatora generalnie jest podobne do ładowania baterii, jednak istnieje kilku istotnych różnic. Pierwszą z nich jest to, że całkowicie rozładowany kondensator może być ładowany pełnym prądem przez cały cykl ładowania, podczas gdy bateria musi być stopniowo doładowywana do momentu osiągnięcia określonego napięcia minimalnego. Drugą kwestią jest to, że w przypadku kondensatorów nie jest wymagane określenie czasu zakończenia tego procesu. Po osiągnięciu końcowego napięcia ‘float’ kondensator nie może już gromadzić żadnego dodatkowego ładunku i ładowanie musi zostać zatrzymane. Jeśli dwa lub więcej superkondensatorów jest ładowanych szeregowo, każde niedopasowanie pojemności między poszczególnymi ogniwami powoduje zróżnicowanie szybkości wzrostu napięcia na każdym kondensatorze podczas ładowania stosu. W rezultacie, należy zastosować dodatkowe zabezpieczenia, które  zapewnią, że żaden z kondensatorów nie przekroczy maksymalnego napięcia znamionowego podczas cyklu ładowania. Ponadto należy zastosować system równoważący, aby zapewnić, że po naładowaniu stosu wszystkie ogniwa zachowują te same napięcie, bilansującego różnice powstające podczas ich pracy w efekcie samorozładowania. Takie zrównoważenie wszystkich ogniw zapewnia maksymalną żywotność kondensatorów.

Układ ładowania w LTC3350 składa się z wysokoprądowego, synchronicznego kontrolera buck z programowanym rezystorem maksymalnego prądu ładowania i maksymalnego napięcia stosu (Rysunek 2). Ponieważ ładowarka jest zasilana z tego samego źródła, które zasila odbiornik, LTC3350 umożliwia również ustalenie oddzielnego programowalnego limitu prądu wejściowego, który automatycznie zmniejsza prąd ładowania kondensatorów w warunkach dużego napięcia na wyjściu V_OUT. Wewnętrzne balansery niskoprądowe (nie pokazane na Rysunku 2) wymuszają, aby napięcie wszystkich ogniw nie różniły się o więcej niż 10mV przy maksymalnym napięciu ogniwa 5V. Wewnętrzne, zabezpieczające oporniki bocznikowe (również nie pokazane na rysunku) automatycznie zmniejszą prąd ładowania i bocznikują pozostały prąd ładowania wokół dowolnego kondensatora, jeśli ten osiągnął domyślną wartość 2,7 V lub inną, zaprogramowaną przez użytkownika maksymalną wartość napięcia. Dodatkowo, napięcie ładowania stosu może być zmniejszone za pomocą modyfikacji oprogramowania w celu zoptymalizowania żywotności kondensatora przy określonym zapotrzebowaniu na energię podtrzymującą (więcej na ten temat w dalszej części tekstu).

Rysunek 2. Wysokoprądowa ładowarka superkondensatorowa i kontroler zapasowy