Stosowanie pojedynczego superkondensatora jako zasilania rezerwowego dla zasilania 5V

Niegdyś ograniczające się do urządzeń o znaczeniu krytycznym, rozwiązania zasilania rezerwowego są obecnie wymagane w szerokiej gamie zastosowań elektronicznych w przemysłowych, komercyjnych i konsumenckich produktach końcowych. Mimo że dostępnych jest kilka opcji, superkondensator stanowi najbardziej kompaktowy magazyn energii zapewniający najwyższą gęstość energii na wypadek przerwy w dostawie zasilania z głównego źródła. Na przykład w przypadku awarii zasilania sieciowego lub podczas wymiany baterii.

Jednak superkondensatory stwarzają wyzwania projektowe, ponieważ każdy z nich może dostarczyć maksymalne napięcie 2,7V. Potencjalnie oznacza to, że do doprowadzenia do szyny zasilającej 5V prądu o regulowanym napięciu potrzebnych jest wiele superkondensatorów - z który każdy wymaga powiązanych przetwornic do równoważenia ogniw, podwyższania i obniżania napięcia. W rezultacie powstaje skomplikowany i pełen niuansów obwód, który jest stosunkowo kosztowny i zajmuje zbyt dużo miejsca na płytce.

W niniejszym artykule porównano baterie z superkondensatorami i wyjaśniono, dlaczego te drugie oferują kilka zalet technicznych w przypadku kompaktowych urządzeń elektronicznych niskiego napięcia. Artykuł wyjaśnia następnie jak zaprojektować proste i wygodne rozwiązanie do zasilania szyny 5V przy użyciu tylko jednego kondensatora w połączeniu z odwracalną przetwornicą obniżająco-podwyższającą napięcie.

Baterie kontra superkondensatory

Zasilanie bezprzerwowe stało się kluczowym elementem zapewniającej komfort użytkownika pracy nowoczesnych urządzeń elektronicznych. Bez stałego zasilania produkty elektroniczne nie tylko przestają działać, ale także mogą utracić istotne informacje. Na przykład zanik zasilania w sieci energetycznej, do której jest podłączony komputer spowoduje utratę danych przechowywanych w pamięci RAM. Pompa insulinowa podczas wymiany baterii może utracić ważne odczyty poziomu cukru we krwi zapisane w pamięci ulotnej.

Jednym ze sposobów zapobiegania takim przypadkom jest zainstalowanie baterii podtrzymującej, która magazynuje energię i uwalnia ją następnie w przypadku awarii głównego źródła zasilania. Baterie litowo-jonowe (Li-ion) to dojrzała technologia, która charakteryzuje się bardzo dobrą gęstością energii, dzięki czemu stosunkowo niewielkie urządzenie może zapewnić zasilanie rezerwowe przez dłuższy czas.

Jednak bez względu na skład chemiczny, wszystkie baterie mają pewne cechy charakterystyczne, które w określonych okolicznościach mogą być problematyczne. Na przykład, są one stosunkowo ciężkie, wymagają relatywnie długiego czasu ładowania (co może stanowić problem w przypadku częstych przerw w zasilaniu). Ogniwa mogą być ładowane tylko ograniczoną liczbę razy (co zwiększa koszty utrzymania), a substancje chemiczne, z których są wykonane, mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa i środowiska.

Alternatywnym rozwiązaniem zasilania rezerwowego jest superkondensator, zwany również ultrakondensatorem. Superkondensator z technicznego punktu widzenia jest elektrochemicznym kondensatorem dwuwarstwowym (EDLC). Urządzenie to składa się z symetrycznych, stabilnych elektrochemicznie, dodatnich i ujemnych elektrod węglowych. Są one oddzielone izolującym separatorem jonoprzepuszczalnym, wbudowanym w pojemnik wypełniony elektrolitem z soli organicznej w rozpuszczalniku. Elektrolit jest przygotowany w taki sposób, aby maksymalnie zwiększał przewodnictwo jonowe i zwilżenie elektrod. Kombinacja elektrod węglowych o dużej powierzchni i bardzo małej separacji ładunku pozwala uzyskać znacznie większą pojemność superkondensatora w porównaniu z kondensatorami tradycyjnymi (ilustracja 1).

Ilustracja 1: superkondensator wykorzystuje symetryczne dodatnie i ujemne elektrody węglowe oddzielone izolującym separatorem jonoprzepuszczalnym, zanurzonym w elektrolicie. Kombinacja elektrod o dużej powierzchni i bardzo małej separacji ładunku pozwala uzyskać wysoką pojemność. (Źródło ilustracji: Maxwell Technologies)

Ładunek jest magazynowany elektrostatycznie w wyniku efektu odwracalnej adsorpcji elektrolitu na elektrodach węglowych o dużej powierzchni. Separacja ładunku następuje po polaryzacji na powierzchni rozdziału elektrody i elektrolitu, co powoduje uzyskanie podwójnej warstwy. Mechanizm ten jest wysoce odwracalny, co pozwala na ładowanie i rozładowywanie superkondensatora setki tysięcy razy, choć z czasem występuje pewne zmniejszenie pojemności.

Dzięki wykorzystaniu elektrostatycznego mechanizmu magazynowania energii, elektryczne parametry działania superkondensatorów są bardziej przewidywalne niż baterii, a materiały wykonania zapewniają większą niezawodność i mniejszą podatność na zmiany temperatury. Jeśli chodzi o bezpieczeństwo, superkondensatory zawierają mniej substancji lotnych niż baterie i można je całkowicie rozładować na czas transportu w celu zapewnienia bezpieczeństwa.

Kolejną zaletą jest to, że w porównaniu z bateriami wtórnymi superkondensatory ładują się znacznie szybciej, więc w przypadku ponownej utraty zasilania w niedługim czasie po pierwszej awarii, zasilanie rezerwowe będzie nadal dostępne. Dodatkowo superkondensatorów nie da się nadmiernie naładować. Superkondensatory wytrzymują wiele cykli ładowania, co obniża koszty utrzymania.

Ponadto superkondensatory oferują znacznie większą gęstość mocy (miara mocy, jaką można przechowywać lub dostarczać w jednostce czasu) niż baterie. Dzięki temu nie tylko szybko się ładują, ale także w razie potrzeby mogą zapewniać zasilanie z dużymi skokami natężenia prądu, co pozwala na wykorzystanie ich do zasilania rezerwowego w większej liczbie zastosowań (ilustracja 2). Ponadto superkondensatory mają znacznie niższą efektywną rezystancję szeregową (ESR) niż baterie. Dzięki temu mogą wydajniej dostarczać zasilanie bez niebezpieczeństwa przegrzania. Typowa skuteczność konwersji mocy superkondensatora przekracza 98%.

Ilustracja 2: baterie wielokrotnego ładowania mogą zasilać odbiorniki przez długi czas przy umiarkowanych natężeniach prądu, ale ich ładowanie zajmuje dużo czasu. W przeciwieństwie do tego, superkondensatory (lub ultrakondensatory) można szybko rozładowywać prądem o wysokim natężeniu, ale także szybko ładują się. (Źródło ilustracji: Maxwell Technologies)

Główną wadą superkondensatorów jest ich stosunkowo niska gęstość energii (miara ilości energii przechowywanej na jednostkę objętości) w porównaniu z bateriami wielokrotnego ładowania. Współczesna technologia umożliwia magazynowanie w bateriach litowo-jonowych 20 razy więcej energii niż w superkondensatorach o tej samej objętości. Dystans dzielący oba urządzenia zmniejsza się wraz z zastosowaniem nowych materiałów poprawiających wydajność superkondensatorów, ale prawdopodobnie pozostanie on znaczący przez wiele lat. Inną istotną wadą superkondensatorów jest stosunkowo wysoki koszt w porównaniu z bateriami litowo-jonowymi.

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.