Jak používat jeden superkondenzátor jako záložní zdroj napětí 5 V

Řešení záložního napájení, která byla kdysi omezena na kritická zařízení, jsou nyní žádaná pro širokou škálu elektronických aplikací v průmyslových, komerčních a spotřebitelských koncových produktech. Ačkoli existuje několik možností, superkondenzátor nabízí nejkompaktnější a energeticky nejhustší řešení jako zásobník energie v případě přerušení hlavního napájení. Může se jednat například o výpadek napájení nebo výměnu baterií.

Superkondenzátory však představují konstrukční problémy, protože každá součást může poskytnout pouze 2,7 V. Tato situace může znamenat potřebu více superkondenzátorů - každý s přidruženým vyvažováním článků a zvyšujícími (boost) nebo snižujícími (buck) napěťovými měniči pro dodávku regulovaného napětí do 5V napájecí lišty. Výsledkem je složitý obvod plný drobných odlišností, který je relativně drahý a zabírá nadměrný prostor na desce.

Tento článek porovnává baterie se superkondenzátory a vysvětluje, proč superkondenzátory nabízejí několik technických výhod pro nízkonapěťové kompaktní elektronické aplikace. Poté vysvětluje způsob návrhu jednoduchého a elegantního řešení napájení 5V lišty pomocí jediného kondenzátoru kombinovaného s reverzibilním snižovacím/zvyšovacím měničem napětí.

Baterie versus superkondenzátory

Nepřerušované napájení se stalo kriticky důležitým prvkem uspokojivé uživatelské zkušenosti s moderními elektronickými zařízeními. Bez stálého napájení elektronické produkty nejen přestanou fungovat, ale mohou také ztratit důležité informace. Například počítač připojený k elektrické síti ztratí při výpadku data uložená ve své energeticky závislé paměti RAM. Při výměně baterie může také inzulínová pumpa ztratit důležitá data o hodnotě glykémie uložená v energeticky závislé paměti.

Jeden ze způsobů, jak takové situaci zabránit, je instalaci záložní baterie uchovávající energii, kterou pak může dodat při výpadku hlavního zdroje energie. Lithium-iontové (Li-ion) baterie představují vyspělou technologii a nabízejí velmi dobrou hustotu energie, což umožňuje relativně kompaktnímu zařízení dodávat záložní napájení po delší dobu.

Ale bez ohledu na své základní chemické složení má každá baterie jedinečné vlastnosti, které mohou být za určitých okolností problematické. Tyto baterie jsou například poměrně těžké, nabíjení trvá poměrně dlouho (což může být problém, pokud dochází k častým výpadkům napájení), články lze dobíjet jen v omezeném počtu cyklů (čímž se zvyšují náklady na údržbu) a chemikálie, ze kterých jsou vyrobeny, mohou představovat bezpečnostní a ekologická rizika.

Alternativním řešením pro záložní napájení je superkondenzátor, známý také jako ultrakondenzátor. Superkondenzátor je technicky známý jako elektrický dvouvrstvý kondenzátor (EDLC). Součást je zkonstruována pomocí symetrických, elektrochemicky stabilních, kladných a záporných uhlíkových elektrod. Ty jsou odděleny iontově propustným izolačním separátorem zabudovaným do nádoby naplněné elektrolytem na bázi organické soli/rozpouštědla. Elektrolyt je navržen tak, aby maximalizoval iontovou vodivost a smáčení elektrody. Kombinace elektrod z aktivního uhlíku s velkou povrchovou plochou s extrémně krátkým oddělením náboje se projevuje v mnohem vyšší kapacitě superkondenzátoru v porovnání s konvenčními kondenzátory (obrázek 1).

Obrázek 1: superkondenzátor používá symetrické kladné a záporné uhlíkové elektrody oddělené iontově propustným izolačním separátorem ponořeným do elektrolytu. Kombinace elektrod s velkou povrchovou plochou s extrémně krátkým oddělením náboje má za následek vysokou kapacitu. (Zdroj obrázku: Maxwell Technologies)

Náboj se ukládá elektrostaticky reverzibilní adsorpcí elektrolytu na velkoplošné uhlíkové elektrody. Při polarizaci na rozhraní elektroda/elektrolyt dochází k oddělení náboje, čímž vznikají dvě identické vrstvy. Tento mechanismus je vysoce reverzibilní a umožňuje, aby byl superkondenzátor nabit a vybit stotisíckrát, i když v průběhu času dochází k určitému snížení kapacity.

Vzhledem k tomu, že superkondenzátory se při ukládání energie spoléhají na elektrostatický mechanismus, jejich elektrická výkonnost je předvídatelnější než u baterií a díky konstrukčním materiálům se stávají spolehlivějšími a méně náchylnými na změny teploty. Z hlediska bezpečnosti obsahují superkondenzátory méně těkavých materiálů než baterie a pro bezpečnou přepravu je lze zcela vybít.

Další výhodou superkondenzátorů v porovnání se sekundárními bateriemi je jejich mnohem rychlejší nabíjení. Pokud tedy dojde k opětovné ztrátě napájení krátce po prvním výpadku, je ihned k dispozici záložní napájení. Superkondenzátory také nelze přebíjet. Superkondenzátory také snesou mnohem více nabíjecích cyklů, což snižuje náklady na údržbu.

Superkondenzátory dále nabízejí mnohem vyšší výkonovou hustotu (velikost výkonu, který lze uložit nebo dodat za jednotku času) než baterie. Tato výhoda nejen zajišťuje rychlé nabíjení, ale také umožňuje v případě potřeby dodávat vysoké proudové dávky, což dovoluje jejich použití jako záložní napájení pro více aplikací (obrázek 2). Kromě toho mají superkondenzátory mnohem nižší efektivní sériový odpor (ESR) než baterie. To jim umožňuje poskytovat energii efektivněji bez nebezpečí přehřátí. Typická je účinnost přeměny výkonu je u superkondenzátoru vyšší než 98 %.

Obrázek 2: dobíjecí baterie mohou dodávat energii po dlouhou dobu při malých proudech, nabíjení však trvá dlouho. Naproti tomu superkondenzátory (nebo ultrakondenzátory) se rychle vybíjejí vysokým proudem, ale také se rychle nabíjejí. (Zdroj obrázku: Maxwell Technologies)

Klíčovou nevýhodou superkondenzátorů je jejich relativně nízká energetická hustota (míra energie uložené na jednotku objemu) ve srovnání s dobíjecími bateriemi. Dnešní technologie umožňuje, aby Li-ion baterie uložila dvacetinásobek energie ve srovnání se superkondenzátorem stejného objemu. Tento rozdíl se zmenšuje, protože nové materiály se oproti superkondenzátorům zlepšují, ale pravděpodobně zůstane významný po mnoho let. Další významnou nevýhodou superkondenzátorů je relativně vysoká cena ve srovnání s Li-ion bateriemi.

Úvahy o návrhu superkondenzátorů

Pokud se má záložní napájení elektronického produktu spoléhat na superkondenzátor, je zásadně důležité, aby konstruktér pochopil způsob volby nejlepší součásti pro spolehlivé ukládání a dodávku energie s dlouhou životností.

Jedním z prvních bodů, který je třeba zkontrolovat v datovém listu, je vliv teploty na kapacitu a odpor. Je dobrou konstrukční praxí vybrat součástku vykazující jen velmi malé změny v zamýšleném rozsahu provozních teplot koncového produktu, aby v případě potřeby záložního napájení bylo dodávané napětí stabilní s vysokou účinností přenosu energie.

Životnost superkondenzátoru je do značné míry určena kombinovaným účinkem provozního napětí a teploty (obrázek 3). U superkondenzátoru jen zřídkakdy dochází ke katastrofickému selhání. Namísto toho se jeho kapacita a vnitřní odpor mění v průběhu času s postupnou degradací výkonu, dokud součást již není schopna splňovat specifikace koncového produktu. Pokles výkonu je obvykle vyšší na začátku životnosti koncového produktu a s jeho stárnutím se postupně se snižuje.

Obrázek 3: Vyšší teploty a přiváděná napětí mohou životnost superkondenzátoru zkracovat. (Zdroj obrázku: Elcap, CC0, přes Wikimedia Commons, upraveno autorem)

Při použití v aplikaci záložního napájení bude superkondenzátor dlouhodobě udržován na pracovním napětí a jen velmi příležitostně vyzýván k vybití uložené energie. Tato situace nakonec ovlivní výkon. Technický list uvádí pokles kapacity v průběhu času pro typická provozní napětí a při různých teplotách. Například u superkondenzátoru udržovaného na napětí 2,5 V po dobu 88 000 hodin (10 let) při 25 ˚C může dojít k 15% snížení kapacity a 40% zvýšení vnitřního odporu. Takový pokles výkonu by měl být zohledněn při návrhu záložních zařízení pro koncové produkty s dlouhou životností.

Časová konstanta kondenzátoru je doba potřebná k tomu, aby zařízení dosáhlo 63,2 % plného nabití nebo vybití na 36,8 % plného nabití. Časová konstanta superkondenzátoru se pohybuje kolem jedné sekundy, což je podstatně kratší hodnota v porovnání s elektrolytickým kondenzátorem. Vzhledem k této krátké časové konstantě by měl konstruktér zajistit, aby superkondenzátor záložního napájecího zdroje nebyl vystaven trvalému zvlnění proudu, protože by mohlo dojít k jeho poškození.

Superkondenzátory mohou pracovat mezi napětím 0 V a jejich maximální jmenovitou kapacitou. Zatímco efektivního využití dostupné energie a její akumulace je u superkondenzátoru dosaženo při provozu v nejširším rozsahu napětí, většina elektronických součástek má minimální prahovou hodnotu napětí. Tento požadavek na minimální napětí omezuje množství energie, které lze z kondenzátoru odebírat.

Například energie uložená v kondenzátoru je E = ½ CV². Z tohoto vztahu lze dovodit, že přibližně 75 % dostupné energie je přístupných, pokud systém pracuje s polovičním jmenovitým napětím kondenzátoru (například 2,7 až 1,35 V).

Konstrukční problémy při použití více superkondenzátorů

Ačkoli se superkondenzátory díky svým přednostem stávají vhodnými jako záložní napájení pro širokou škálu elektronických produktů, konstruktér musí pamatovat na konstrukční problém, které představují. Implementace záložního napájecího obvodu může být pro nezkušeného konstruktéra náročným úkolem. Klíčovou složitostí je skutečnost, že komerční superkondenzátory jsou dimenzovány na napětí přibližně 2,7 V, takže pro napájení typické 5V lišty je třeba použít dva superkondenzátory v sérii (obrázek 4).

Obrázek 4: Vzhledem k tomu, že komerční superkondenzátory jsou dimenzovány přibližně na 2,7 V, pro napájení typické 5V napájecí lišty je třeba použít dva superkondenzátory v sérii, což komplikuje proces návrhu. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)

Ačkoli se jedná o uspokojivé funkční řešení, vzhledem k potřebě aktivního nebo pasivního vyvažování článků přináší dodatečné náklady a složitost. Kvůli kapacitním tolerancím, různým svodovým proudům a různým ekvivalentním sériovým odporům (ESR) se může napětí na dvou nebo více nominálně stejných a plně nabitých kondenzátorech lišit. Tato napěťová nerovnováha má za následek, že jeden superkondenzátor v záložním obvodu dodává vyšší napětí než druhý. Se stoupající teplotou a/nebo stárnutím superkondenzátorů se tato napěťová nerovnováha může zvýšit až do bodu, kdy napětí na jednom superkondenzátoru překročí jmenovitý práh zařízení a ovlivní provozní životnost.

Vyvažování článků v aplikacích s nízkým pracovním cyklem se typicky dosahuje umístěním překlenovacího odporu paralelně s jednotlivými články. Hodnota odporu je zvolena tak, aby jakémukoli proudu umožňovala přesáhnout celkový svodový proud superkondenzátoru. Tato technika účinně zajišťuje, že jakákoliv změna ekvivalentního paralelního odporu mezi superkondenzátory je zanedbatelná. Pokud mají například superkondenzátory v záložním obvodu průměrný svodový proud 10 μA, 1% odpor umožní překlenovací proud 100 μA, čímž se průměrný svodový proud zvýší na 110 μA. Odpor přitom účinně snižuje kolísání svodového proudu mezi superkondenzátory z desítek procent na pouhých několik procent.

Vzhledem k tomu, že všechny paralelní odpory jsou poměrně dobře přizpůsobené, jakékoli superkondenzátory s vyšším napětím se budou vybíjet přes svůj paralelní odpor rychleji než superkondenzátory s nižším napětím. Celkové napětí se tak rovnoměrně rozděluje napříč celou řadou superkondenzátorů. Pro aplikace s vysokým zatížením je vyžadováno sofistikovanější vyvažování superkondenzátoru.

Použití jednoho superkondenzátoru pro 5V napájení

V případě použití jednoho superkondenzátoru namísto dvou nebo více může být obvod záložního napájení méně složitý a zabírat méně místa. Takové uspořádání odstraňuje potřebu vyvažování superkondenzátoru. Výstupní napětí 2,7 V z jediné součásti však musí být zvýšeno pomocí zvyšovacího regulátoru, aby se vytvořila dostatečná napěťová rezerva k překonání úbytku napětí na diodě a dodání 5 V do systému. Superkondenzátor se nabíjí nabíjecím zařízením a v případě potřeby vybíjí přes zvyšovací převodník. Diody umožňují napájení systému z primárního zdroje energie nebo ze superkondenzátoru (obrázek 5).

Obrázek 5: použití jednoho superkondenzátoru v záložním napájecím obvodu odstraňuje potřebu vyvažování článků, vyžaduje však zvýšení výstupního napětí superkondenzátoru. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)

Elegantnějším řešením je použití jediného kondenzátoru doplněného specializovaným převodníkem napětí, jakým je např. reverzibilní snižovací/zvyšovací napěťový regulátor MAX38888 nebo MAX38889 od společnosti Maxim Integrated. První součást nabízí výstupní napětí 2,5 až 5 V a proud až 2,5 A, zatímco druhá součást má výstup 2,5 až 5,5 V, 3 A (obrázek 6).

Obrázek 6: reverzibilní regulátory MAX38889 (nebo MAX38888) při použití v obvodu záložního napájení pomocí superkondenzátoru odstraňují potřebu samostatné nabíječky, zesilovacích součástí a diod. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)

Model MAX38889 je flexibilní úložný kondenzátor nebo záložní regulátor kondenzátorové baterie pro efektivní přenos energie mezi jedním nebo více superkondenzátorů a systémovou napájecí lištou. Je-li přítomen hlavní zdroj, jehož napětí leží nad minimální prahovou hodnotou systémového napájecího napětí, regulátor pracuje v režimu nabíjení a nabíjí superkondenzátor maximálním proudem 3 A ve špičce s průměrným proudem induktoru 1,5 A. Aby byl umožněn záložní provoz, musí být superkondenzátor plně nabit. Jakmile je superkondenzátor nabitý, obvod odebírá proud pouze 4 μA a současně udržuje součástku ve stavu připravenosti.

Po odpojení hlavního napájecího zdroje regulátor zabrání poklesu napětí systému pod nastavené záložní provozní napětí zvýšením napětí superkondenzátoru na požadovanou systémovou úroveň při naprogramovaném proudu induktoru ve špičce - nejvýše 3 A. Reverzibilní regulátor může napájecí napětí superkondenzátoru snížit až na 0,5 V, což maximalizuje využití uložené energie.

Doba zálohování závisí na energetické rezervě superkondenzátoru a odběru energie systémem. Produkty Maxim Integrated umožňují díky svým vlastnostem dosažení maximálního záložního napájecího napětí z jednoho 2,7V superkondenzátoru při současném snížení počtu součástek obvodu odstraněním potřeby samostatných nabíječek, zesilovacích zařízení a diod.

Závěr

Jako zdroje záložního napájení nabízejí superkondenzátory v určitých aplikacích několik výhod oproti sekundárním bateriím, a to zejména tam, kde jsou vyžadovány časté výměny baterií. Ve srovnání s dobíjecími bateriemi se superkondenzátory nabíjejí rychleji, snesou mnoho cyklů a nabízejí mnohem vyšší hustotu výkonu. Při snaze o zálohován typického 5V zdroje však jejich maximální výstupní napětí 2,7 V přináší určité konstrukční problémy.

Jak bylo ukázáno, reverzibilní snižující/zvyšující regulátory napětí nabízejí elegantní řešení tím, že umožňují jedinému superkondenzátoru zálohovat 5V lištu a zároveň minimalizovat prostor i počet požadovaných součástí.