Zasilanie zapasowe oparte o superkondensator

Tryb zasilania zapasowego

Po naładowaniu stosu kondensatorów zapasowych system jest w stanie zapewnić zasilanie awaryjne. Tryb ładowania i załączenia zasilania zapasowego są określone przez napięcie na pinie PFI (Power Fail Input). Jeśli napięcie V_IN spadnie tak, że komparator PFI załączy się na niskim poziomie, układ natychmiast przechodzi w tryb rezerwowy (patrz Rysunek 3). V_OUT spadnie wraz ze spadkiem V_IN, a gdy napięcie V_OUT spadnie poniżej napięcia stosu kondensatorów, dioda OUTFET zapobiega dalszemu spadkowi V_OUT. Gdy V_OUT spadnie do napięcia zaprogramowanego przez opornik dzielnikowy na pinie OUTFB, ładowarka kondensatorów zadziała w przeciwnym kierunku, funkcjonując jako synchroniczna rezerwowa przetwornica DC/DC, wykorzystująca stos VCAP jako źródło wejściowe i V_OUT jako wyjście regulowane. Zapasowy konwerter doładowania będzie działał do momentu, gdy nie będzie już mógł obsługiwać obciążenia V_OUT, a napięcie na V_OUT spadnie poniżej punktu 4.5V UVLO. Pozwala to na przeniesienie praktycznie całej użytecznej energii ze stosu superkondensatorów do odbiornika podczas pracy zasilania zapasowego, ponieważ doładowywanie będzie kontynuowane, gdy napięcie stosu spadnie znacznie poniżej 4,5 V. Typowy scenariusz pracy zasilania zapasowego jest pokazany na Rysunku 3. W tym przykładzie, stos czterech kondensatorów szeregowych jest ładowany do 10V, a w trybie pracy zasilania rezerwowego napięcie V_OUT jest regulowane do minimum 8V, aż do wyczerpania całej energii z kondensatorów zapasowych.

Rysunek 3. Działanie układu w trybie zasilania zapasowego.

Monitorowanie stanu układu zapewnia niezawodność i optymalizuje wydajność

W systemach o wysokiej niezawodności, wymagających krótkotrwałego zasilania awaryjnego, odpowiednia energia musi być przechowywana i dostępna w celu wykonywania krytycznych funkcji natychmiast po awarii głównego zasilania. Superkondensatory są doskonałym wyborem do takich zastosowań ze względu na ich wyjątkowo wysoką pojemność na jednostkę objętości i bardzo niski ESR. Jednak, podobnie jak w przypadku baterii, ich wydajność z czasem się pogorsza. Żywotność kondensatora jest powszechnie (choć nieco arbitralnie) definiowana jako czas wymagany do spadku pojemności o 30% i/lub wzrostu ESR o 100%. Jak pokazano na Rysunku 4, degradacja kondensatora jest przyśpieszona w warunkach wysokiego napięcia roboczego lub podwyższonej temperatury. Ponieważ zarówno pojemność, jak i ESR kondensatora mają kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania zasilania zapasowego, ważne jest, aby system był w stanie monitorować i raportować stan kondensatorów zapasowych w miarę ich starzenia się.

Rysunek 4. Typowa żywotność superkondensatora w zależności od  temperatury i napięcia.

Po pełnym naładowaniu stosu kondensatorów, LTC3350 automatycznie monitoruje zarówno jego pojemność, jak i ESR, z częstotliwością wybraną przez użytkownika. Aby dokładnie monitorować pojemność stosu, układ wykorzystuje precyzyjne źródło prądu, dokładny obwód czasowy i wewnętrzny 14-bitowy ADC. Precyzyjnie zaprogramowany prąd jest pobierany ze stosu kondensatorów, podczas gdy ładowarka jest wyłączona. Czas potrzebny do opadnięcia napięcia stosu kondensatorów o 200mV jest precyzyjnie mierzony, a pojemność stosu obliczana na podstawie uzyskanych danych. Po zakończeniu testu pojemności, wykonywany jest test ESR poprzez pomiar napięcia stosu z lub bez działającej ładowarki wysokoprądowej. Użycie ładowarki do wykonania tego testu eliminuje potrzebę zastosowania zewnętrznego obciążenia testowego dużej mocy. Chwilowy wzrost napięcia stosu po włączeniu ładowarki odpowiada zmierzonemu prądowi ładowania ESR stosu. Uzyskane  wartości pojemności i ESR kondensatorów można odczytać w dowolnym momencie przez I2C.

Gdy znane są wartości pojemności stosu i ESR, łatwo jest też obliczyć minimalne napięcie stosu, niezbędne do zapewnienia niezawodnego zasilania w przypadku danej aplikacji. Ponieważ większość systemów zasilania rezerwowego  projektuje się z wbudowanym marginesem, często bezpiecznie jest obniżyć napięcie stosu w stosunku do jego wartości nominalnej, maksymalizując w ten sposób żywotność kondensatorów. Można to osiągnąć poprzez dostosowanie oprogramowania i zmianę napięcia pracy przetwornika DAC ze sprzężeniem zwrotnym LTC3350 VCAP.

Wnioski

Połączenie bardzo wysokiej pojemności i bardzo niskiego ESR umożliwiło superkondensatorom stworzenie nowych alternatyw rozwiązywania typowych wyzwań, takich jak konstrukcja układu zasilania awaryjnego. Jednak duży postęp w zakresie wydajności rzadko daje się osiągnąć bez kompromisów. Efektywne wykorzystanie superkondensatorów często wymaga stosu ogniw połączonych szeregowo, co z kolei wymaga zastosowania obwodów ochronnych i równoważących. Podczas gdy cykl życia i ogólnie żywotność superkondensatora może znacznie przekroczyć parametry oferowane przez konkurencyjną technologię akumulatorów, nawet niewielkie zmiany napięcia i temperatury pracy kondensatora mogą z czasem prowadzić do dramatycznych spadku możliwości systemu. Z tego powodu monitorowanie stanu ogniw jest często wymaganą funkcją każdego systemu zasilania zapasowego opartego na bazie superkondensatorów. Nowe produkty, takie jak LTC3350, mają na celu rozwiązanie problemów towarzyszących tworzeniu układów zasilania zapasowego z wykorzystaniem superkondensatorów, zapewniają najprostszy możliwy sposób opracowania niezawodnego, elastycznego i wydajnego rozwiązania.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © Analog Devices

Źródło: Supercap Backup Circuit Provides Reliable Uninterrupted Power

Autor: Sam Nork