Slik bruker du en enkel superkondensator som backupstrøm for en 5-volts strømforsyning

Backupstrømløsninger var en gang begrenset til virksomhetskritiske enheter, men de er nå etterspurt for et bredt spekter av elektronikkonstruksjoner i industrielle, kommersielle og forbrukerrelaterte sluttprodukter. Selv om det er flere alternativer, tilbyr superkondensatoren den mest kompakte og energitette løsningen som energireservoar når hovedstrømforsyningen opplever avbrudd. Når det for eksempel er strømbrudd på nettet eller når batterier byttes ut.

Superkondensatorer introduserer imidlertid konstruksjonsutfordringer siden hver enhet bare kan levere opptil 2,7 volt. Dette betyr potensielt at det er behov for flere superkondensatorer – hver med tilknyttet cellebalansering og spenningsøkende (boost) eller spenningsreduserende (buck) spenningsomformere – for å levere regulert strøm til en 5-volts strømskinne. Resultatet er en kompleks og nyansert krets som er ganske dyr og tar opp veldig mye plass på kretskortet.

Denne artikkelen sammenligner batterier med superkondensatorer og forklarer hvorfor sistnevnte tilbyr flere tekniske fordeler for lavspente, kompakte elektroniske konstruksjoner. Artikkelen forklarer deretter hvordan man konstruerer en enkel og elegant løsning for å drive en 5-volts strømskinne ved å kun bruke en enkel kondensator kombinert med en reversibel buck/boost-spenningsomformer (opptransformering/nedtransformering-spenningsomformer).

Batterier kontra superkondensatorer

Uavbrutt strøm har blitt et viktig element for å oppnå tilfredsstillende brukeropplevelser med moderne elektronisk utstyr. Uten noen konstant strømforsyning, kan elektroniske produkter slutte å fungere, og de kan miste viktig informasjon. For eksempel vil en PC som er koblet til strømnettet miste data som er lagret i det ustabile RAM-minnet hvis det oppstår strømbrudd. Eller en insulinpumpe kan miste viktige blodglukoseavlesninger fra ustabilt minne under batteribytte.

En måte å forhindre at dette skjer, er å innlemme et backupbatteri som lagrer energi, som deretter kan frigjøres hvis hovedstrømkilden svikter. Litium-ion-batterier (Li-ion) er en moden teknologi som tilbyr svært god energitetthet, noe som gjør at en relativt kompakt enhet kan tilby backupstrøm i lengre perioder.

Men uansett hva basiskjemien er, har alle batterier forskjellige egenskaper som kan være problematiske under visse omstendigheter. For eksempel er de relativt tunge, de tar relativt lang tid å lade opp (noe som kan være et problem hvis det oppstår hyppige strømbrudd), cellene kan kun lades opp et begrenset antall ganger (noe som øker vedlikeholdskostnader) og kjemikaliene de lages av kan føre til sikkerhets- og miljømessige farer.

En alternativ løsning for backupstrøm er superkondensatoren, også kjent som en ultrakondensator. En superkondensator er teknisk sett kjent som en elektrisk tolags kondensator (EDLC – electric double-layer capacitor). Enheten er konstruert ved å bruke symmetriske, elektrokjemisk stabile, positive og negative karbonelektroder. Disse er atskilt av en isolerende ionegjennomtrengelig separator, konstruert i en beholder fylt med organisk salt/løsemiddel-elektrolytt. Elektrolytten er utviklet for å maksimere ionisk konduktivitet og elektrodefukting. Kombinasjonen av aktiverte karbonelektroder som har høyt overflateområde og ekstremt liten ladningsseparasjon, resulterer i den mye høyere kapasitansen som en superkondensator har sammenlignet med konvensjonelle kondensatorer (figur 1).

Figur 1: En superkondensator bruker symmetrisk positive og negative karbonelektroder atskilt av en isolerende ionegjennomtrengelig separator nedsenket i en elektrolytt. Kombinasjonen av elektroder som har høyt overflateområde og ekstremt liten ladningsseparasjon, resulterer i høy kapasitans. (Bildekilde: Maxwell Technologies)

Ladningen lagres elektrostatisk ved hjelp av reversibel adsorpsjon av elektrolytten på karbonelektrodene med stort overflateområde. Ladningsseparasjon oppstår ved polarisering på elektrode/elektrolytt-kontaktflaten, noe som produserer det eponyme dobbeltlaget. Denne mekanismen er svært reversibel, noe som gjør det mulig for superkondensatoren å lades og utlades hundretusenvis av ganger, selv om det er en viss reduksjon i kapasitansen over tid.

På grunn av deres avhengighet av den elektrostatiske mekanismen for å lagre energi, er den elektriske ytelsen til superkondensatorer mer forutsigbar enn batterier, og materialene de er laget av gjør dem mer pålitelige og mindre sårbare for temperaturendringer. Når det gjelder sikkerhet, inkluderer superkondensatorer færre volatile materialer enn batterier, og de kan lades helt ut for å oppnå sikker transportering.

En ytterligere fordel med superkondensatorer er, sammenlignet med sekundære batterier, at de kan lades opp mye raskere – så hvis strømmen går tapt igjen kort tid etter den første feilen, er backupstrømmen lett tilgjengelig – og de kan ikke overlades. Superkondensatorer tåler også mange flere ladesykluser, noe som reduserer vedlikeholdskostnader.

Videre tilbyr superkondensatorer en mye høyere strømtetthet (et mål for hvor mye strøm som kan lagres eller leveres i tid per enhet) enn batterier. Dette sikrer ikke bare rask lading, men gir også mulighet for høy momentanstrømføring om nødvendig, slik at de kan brukes til backupstrøm på tvers av flere bruksområder (figur 2). Superkondensatorer har for øvrig mye lavere effektiv seriemotstand (ESR) enn batterier. Dette gjør at de kan levere strøm mer effektivt uten at det er noen fare for overoppheting. En strømomformingseffekt på mer enn 98 % er typisk for superkondensatorer.

Figur 2: Oppladbare batterier kan forsyne strøm i lange perioder ved beskjedne strømmengder, men de tar lang tid å lade opp. Superkondensatorer (eller ultrakondensatorer) utlades derimot raskt med høy strøm, men de lades også raskt. (Bildekilde: Maxwell Technologies)

Den viktigste ulempen med superkondensatorer er den relativt lave energitettheten (et mål for energimengden som er lagret per volumenhet) sammenlignet med oppladbare batterier. Med dagens teknologi kan et Li-ion-batteri lagre tyve ganger så mye energi sammenlignet med en superkondensator med samme volum. Forskjellen reduseres etter hvert som nye materialer forbedrer superkondensatorene, men vil trolig forbli betydelig i mange år. En annen betydelig ulempe med superkondensatorer, er den relativt høye kostnaden sammenlignet med Li-ion-batterier.

Konstruksjonshensyn for superkondensatorer

Hvis et elektronisk produkt skal være avhengig av en superkondensator for backupstrøm, er det viktig at konstruktøren forstår hvordan man velger den beste komponenten for pålitelig energilagring og strømforsyning, og lang levetid.

Noe av det første man bør sjekke på databladet er temperaturens effekt på kapasitans og motstand. Det er god konstruksjonspraksis å velge en enhet som viser svært liten endring over det tiltenkte driftstemperaturområdet for sluttproduktet, slik at, hvis det er behov for backupstrøm, den leverte spenningen er stabil og energien kan forsynes effektivt.

Superkondensatorens levetid fastsettes i stor grad av den kombinerte effekten av driftsspenning og temperatur (figur 3). Superkondensatorer svikter sjeldent katastrofalt. I stedet endres kapasitansen og den indre motstanden over tid, og ytelsen forringes gradvis inntil komponenten ikke lenger er i stand til å oppfylle spesifikasjonen for sluttproduktet. Ytelsesreduksjonen er vanligvis større i begynnelsen av sluttproduktets levetid, og avtar etter hvert som sluttproduktet blir eldre.

Figur 3: Høyere temperaturer og påførte spenninger kan forkorte superkondensatorens levetid. (Bildekilde: Elcap, CC0, via Wikimedia Commons, modifisert av forfatter)

Når superkondensatoren brukes i konstruksjoner for backupstrøm, vil den opprettholdes ved arbeidsspenningen i lange perioder, og vil bare innimellom bli bedt om å utlade den lagrede energien. Dette vil til slutt påvirke ytelsen. Databladet vil vise nedgangen i kapasitans over tid for typiske driftsspenninger og ved forskjellige temperaturer. For eksempel kan en 15 % reduksjon i kapasitans og 40 % økning i indre motstand forekomme for en superkondensator som holdes på 2,5 volt i 88 000 timer (10 år) ved 25 ˚C. En slik ytelsesreduksjon bør tas i betraktning når backupenheter for sluttprodukter med lang levetid skal utvikles.

Tidskonstanten for en kondensator er tiden det tar for enheten å nå 63,2 % av full ladning eller utladning til 36,8 % av full ladning. Tidskonstanten til en superkondensator er rundt ett sekund, noe som er mye kortere enn en elektrolyttkondensator. På grunn av denne korte tidskonstanten, bør konstruktøren sørge for at backupstrøm-superkondensatoren ikke utsettes for en kontinuerlig rippelstrøm, da dette kan føre til skade.

Superkondensatorer kan operere mellom 0 volt og sin maksimale nominelle kapasitet. Selv om effektiv utnyttelse av superkondensatorens tilgjengelige energi- og strømlagring oppnås når den opererer over det bredeste spenningsområdet, har de fleste elektroniske komponenter en minimumsspenningsterskel. Dette minimumsspenningskravet begrenser energimengden som kan trekkes fra kondensatoren.

For eksempel er energien som lagres i kondensatoren, E = ½CV². Fra dette forholdet kan det beregnes at omtrent 75 % av den tilgjengelige energien er tilgjengelig hvis systemet opererer med halvparten av den nominelle spenningen til kondensatoren (for eksempel fra 2,7 til 1,35 volt).

Konstruksjonsutfordringer ved bruk av flere superkondensatorer

Selv om fordelene forbundet med superkondensatorer gjør dem egnet for å gi backupstrøm til et bredt spekter av elektroniske produkter, må konstruktøren være oppmerksom på konstruksjonsutfordringene de introduserer. Implementering av en backupstrømforsyningskrets kan være en signifikant oppgave for en uerfaren konstruktør. Den viktigste kompleksiteten er at kommersielle superkondensatorer er klassifisert for rundt 2,7 volt, så for å kunne forsyne strøm til en typisk 5-volts strømskinne, må to superkondensatorer brukes i serie (figur 4).

Figur 4: Kommersielle superkondensatorer er klassifisert for rundt 2,7 volt, så for å kunne forsyne strøm til en typisk 5-volts strømskinne, må to superkondensatorer brukes i serie, noe som kompliserer konstruksjonsprosessen. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Selv om dette er en tilfredsstillende løsning som fungerer, pådrar den seg ekstra kostnader og kompleksitet på grunn av behovet for aktiv eller passiv cellebalansering. På grunn av kapasitanstoleranser, forskjellige lekkasjestrømmer og forskjellige ESR-er, kan spenningen over to eller flere nominelt identiske og fulladede kondensatorer være forskjellige. Denne spenningsubalansen resulterer i at den ene superkondensatoren i en backupkrets leverer høyere spenning enn den andre. Når temperaturen øker og/eller superkondensatoren blir eldre, kan denne spenningsubalansen øke til et punkt der spenningen over en superkondensator overskrider enhetens nominelle terskel, noe som påvirker driftslevetiden.

Cellebalansering i lavsykluskonstruksjoner oppnås vanligvis ved å plassere en forbikoblingsmotstand parallelt med hver celle. Verdien til motstanden er valgt til å være en verdi som gjør det mulig for enhver strømflyt å dominere den totale lekkasjestrømmen til superkondensatoren. Denne teknikken sikrer at all variasjon i ekvivalent parallell motstand mellom superkondensatorene er ubetydelig. Hvis for eksempel superkondensatorene i backupkretsen har en gjennomsnittlig lekkasjestrøm på 10 mikroampere (μA), vil en motstand på 1 % muliggjøre en strømforbikobling på 100 μA, noe som øker den gjennomsnittlige lekkasjestrømmen til 110 μA. Ved å gjøre dette vil motstanden effektivt redusere variasjonen i lekkasjestrøm mellom superkondensatorene fra noen titalls prosent til bare noen få prosent.

I tilfeller der alle parallelle motstander samsvarer ganske godt, vil alle superkondensatorer med høyere spenninger utlades gjennom sin parallelle motstand med en høyere hastighet enn superkondensatorene med lavere spenninger. Dette distribuerer den totale spenningen jevnt på tvers av hele serien med superkondensatorer. For konstruksjoner med høy kapasitet, kreves mer sofistikert balansering av superkondensatorer.

Bruke en enkel superkondensator for en 5-volts strømforsyning

Backupstrømforsyningskretsen kan gjøres mindre kompleks og ta opp mindre plass hvis én enkel superkondensator brukes i stedet for to eller flere. En slik sammenstilling eliminerer behovet for balansering av superkondensatorene. Den 2,7-volts utgangen fra én enkel enhet må imidlertid økes ved å bruke en spenningsøkende (boost) spenningsregulator, noe som gir tilstrekkelig spenning for å få bukt med spenningsfallet på tvers av en diode og leverer 5 volt til systemet. Superkondensatoren lades av en ladeenhet, og den utlades gjennom opptransformeringsomformeren (boost-omformeren) når det er nødvendig. Dioder gjør det mulig for enten hovedstrømkilden eller superkondensatoren å drive systemet (figur 5).

Figur 5: Bruk av en enkel superkondensator i en backupstrømkrets eliminerer behovet for cellebalansering, men krever en spenningsøkende (boost) regulator for å øke superkondensatorens utgangsspenning. (Bildekilde: Maxim Integrated)

En mer elegant løsning innebærer å bruke en enkel kondensator supplert med en spesialisert spenningsomformer, for eksempel Maxim Integrated sine reversible opp-/nedtransformerings-spenningsregulatorer MAX38888 eller MAX38889. Førstnevnte tilbyr utgang på 2,5 volt til 5 volt og opptil 2,5 ampere (A), mens sistnevnte er en utgangsenhet på 2,5 volt til 5,5 volt og 3 A (figur 6).

Figur 6: Når de brukes i en backupstrømkrets med superkondensatorer, eliminerer de reversible regulatorene MAX38889 (eller MAX38888) behovet for separat lader og opptransformeringsenheter og dioder. (Bildekilde: Maxim Integrated)

MAX38889 er en fleksibel lagringskondensator, eller en backupregulator med kondensatorbank, som effektivt overfører strøm mellom superkondensatoren(e) og strømforsyningsskinnen i et system. Når hovedstrømforsyningen er tilstedeværende og spenningen er over den minste terskelen for systemets forsyningsspenning, fungerer regulatoren i lademodus og lader superkondensatoren med maksimalt 3 A spiss og 1,5 A gjennomsnittlig induktorstrøm. Superkondensatoren må være fulladet for å aktivere backupdrift. Når superkondensatoren er ladet, trekker kretsen bare 4 μA strøm, samtidig som den holder komponenten i klartilstand.

Når hovedstrømforsyningen fjernes, hindrer regulatoren systemet i å falle under systemets innstilte backupdriftspenning, noe den gjør ved å øke spenningen til superkondensatoren opp til den nødvendige systemspenningen for en programmert spissinduktorstrøm, opptil maksimalt 3 A. Den reversible regulatoren kan fungere ned til superkondensatorens forsyningsspenning på bare 0,5 volt, noe som maksimerer bruken av den lagrede energien.

Varigheten til backupen avhenger av superkondensatorens energilager og systemets effektuttak. Funksjonene til de integrerte Maxim-produktene gir maksimal backupstrøm fra én enkel 2,7-volts superkondensator, samtidig som de reduserer antallet kretskomponenter ved å eliminere behovet for separate lader- og boost-enheter og dioder.

Konklusjon

Superkondensatorer gir flere fordeler sammenlignet med sekundærbatterier for backupstrøm i bestemte konstruksjoner, for eksempel de som krever hyppige batteriutskiftninger. Sammenlignet med oppladbare batterier, kan superkondensatorer lades raskere, de kan kjøre gjennom mange flere sykluser og de tilbyr mye høyere strømtetthet. Den maksimale 2,7-volts utgangen introduserer imidlertid noen konstruksjonsutfordringer i tilfeller der en typisk 5-volts forsyning trenger backupstrøm.

Som vist tilbyr reversible nedtransformerings-/opptransformerings-spenningsregulatorer en elegant løsning ved å gjøre det mulig for én enkel superkondensator å være backup for en 5-volts linje, samtidig som den minimerer plass og antall nødvendige komponenter.