Sådan bruges en enkelt superkondensator som backup strøm til en 5-Volt forsyning

Tidligere var de begrænset til missionskritiske enheder, men nu efterspørges backup strømforsyningsløsninger til en bred vifte af elektroniske applikationer i industrielle, kommercielle og forbrugerprodukter. Der er flere muligheder, men superkondensatoren er den mest kompakte og energitætte løsning som energireservoir, når hovedforsyningen afbrydes. F.eks. når der er strømafbrydelse, eller når batterierne udskiftes.

Superkondensatorer giver imidlertid udfordringer med hensyn til design, fordi hver enhed kun kan levere op til 2,7 volt. Det betyder potentielt, at der er behov for flere superkondensatorer - hver med tilhørende cellebalanceringsudstyr og step-up (boost) eller step-down (buck) spændingsomformere - for at levere reguleret strøm til en 5 volts strømskinne. Resultatet er et komplekst og nuanceret kredsløb, som er relativt dyrt og fylder meget på printpladen.

I denne artikel sammenlignes batterier med superkondensatorer og det forklares, hvorfor sidstnævnte har flere tekniske fordele til kompakte elektroniske lavspændingsapplikationer. Artiklen forklarer derefter, hvordan man designer en enkel og elegant løsning til at forsyne en 5 volts skinne med strøm ved hjælp af blot en enkelt kondensator kombineret med en reversibel buck/boost-spændingsomformer.

Batterier vs. superkondensatorer

Uafbrudt strøm er blevet et afgørende element i en tilfredsstillende brugeroplevelse for moderne elektroniske enheder. Uden en konstant strømforsyning stopper elektroniske produkter ikke bare med at fungere, de kan også miste vigtige oplysninger. F.eks. vil en pc, der er tilsluttet strømforsyningen, miste data, der er gemt i dens flygtige RAM, hvis der er en strømafbrydelse. Eller en insulinpumpe kan miste vigtige blodsukkermålinger fra den flygtige hukommelse i forbindelse med udskiftning af batteriet.

En måde at forhindre dette på er at indbygge et backup-batteri, der lagrer energi, som kan frigives, hvis den primære strømkilde svigter. Lithium-ion-batterier (Li-ion-batterier) er en moden teknologi og har en meget god energitæthed, så en relativt kompakt enhed kan levere backupstrøm i længere perioder.

Men uanset deres grundkemi har alle batterier forskellige egenskaber, som kan være problematiske under visse omstændigheder. De er f.eks. relativt tunge, det tager relativt lang tid at genoplade dem (hvilket kan være et problem, hvis der ofte opstår strømafbrydelser), cellerne kan kun genoplades et begrænset antal gange (hvilket øger vedligeholdelsesomkostningerne), og de kemikalier, som de fremstilles af, kan indebære sikkerheds- og miljømæssige risici.

En alternativ løsning til reservekraft er superkondensatoren, også kendt som en ultrakondensator. En superkondensator er teknisk set kendt som en elektrisk dobbeltlagskondensator (EDLC). Enheden er konstrueret ved hjælp af symmetriske, elektrokemisk stabile, positive og negative kulstofelektroder. Disse er adskilt af en isolerende ionpermeabel separator, der er indbygget i en beholder fyldt med organisk salt/opløsningsmiddel-elektrolyt. Elektrolytten er designet til at maksimere ionisk ledningsevne og elektrodevådhed. Kombinationen af aktiverede kulelektroder med et stort overfladeareal og ekstremt lille ladningsadskillelse resulterer i en superkondensators meget højere kapacitet i forhold til konventionelle kondensatorer (figur 1).

Figur 1: En superkondensator anvender symmetriske positive og negative kulstofelektroder, der er adskilt af en isolerende ionpermeabel separator, der er nedsænket i en elektrolyt. Kombinationen af elektroder med stort overfladeareal og ekstremt lille ladningsadskillelse resulterer i en høj kapacitet. (Billedkilde: Maxwell Technologies)

Ladningen lagres elektrostatisk ved reversibel adsorption af elektrolytten på kulstofelektroderne med stort overfladeareal. Der sker ladningsadskillelse ved polarisering ved elektrode/elektrolyt-grænsefladen, hvilket giver det navnkundige dobbeltlag. Denne mekanisme er meget reversibel, så superkondensatoren kan oplades og aflades hundredtusindvis af gange, selv om kapaciteten reduceres med tiden.

Da superkondensatorer er afhængige af den elektrostatiske mekanisme til lagring af energi, er deres elektriske ydeevne mere forudsigelig end batterier, og deres konstruktionsmaterialer gør dem mere pålidelige og mindre sårbare over for temperaturændringer. På sikkerhedssiden indeholder superkondensatorer færre flygtige materialer end batterier og kan aflades helt for at sikre sikker transport.

En anden fordel er, at superkondensatorer i forhold til sekundære batterier genoplades meget hurtigere - så hvis strømmen går tabt igen kort efter den første fejl, er backupstrømmen let tilgængelig - og de kan ikke overoplades. Superkondensatorer kan også tåle mange flere opladningscyklusser, hvilket sænker vedligeholdelsesomkostningerne.

Desuden har superkondensatorer en meget højere effekttæthed (et mål for, hvor meget strøm der kan lagres eller leveres i en tidsenhed) end batterier. Dette sikrer ikke kun hurtig opladning, men giver også mulighed for høje strømbølger, hvis det er nødvendigt, hvilket gør det muligt at bruge dem som backup strømforsyning i flere applikationer (figur 2). Desuden har superkondensatorer en meget lavere effektiv seriemodstand (ESR) end batterier. Det giver dem mulighed for at levere strøm mere effektivt uden fare for overophedning. Superkondensatorer har typisk en effektkonvertering på over 98 %.

Figur 2: Genopladelige batterier kan levere strøm i lange perioder ved beskedne strømme, men det tager lang tid at genoplade dem. Superkondensatorer (eller ultrakondensatorer) derimod aflader hurtigt med høj strøm, men genoplades også hurtigt. (Billedkilde: Maxwell Technologies)

Den største ulempe ved superkondensatorer er deres relativt lave energitæthed (et mål for den mængde energi, der lagres pr. volumenenhed) sammenlignet med genopladelige batterier. Den nuværende teknologi gør det muligt for et Li-ion-batteri at lagre tyve gange mere energi end en superkondensator med samme volumen. Forskellen lukkes i takt med, at nye materialer forbedrer superkondensatorer, men den vil sandsynligvis være betydelig i mange år endnu. En anden væsentlig ulempe ved superkondensatorer er den relativt høje pris sammenlignet med Li-ion-batterier.

Overvejelser om design af superkondensatorer

Hvis et elektronisk produkt skal være afhængig af en superkondensator til backup strømforsyning, er det afgørende, at designeren forstår at vælge den bedste komponent for at sikre pålidelig energilagring og levering samt lang levetid.

En af de første ting, der skal kontrolleres på databladet, er temperaturens indvirkning på kapacitans og modstand. Det er god designpraksis at vælge en enhed, der kun viser meget få ændringer i det tilsigtede driftstemperaturområde for slutproduktet, således at den leverede spænding er stabil, hvis der er behov for nødstrøm, og at energien leveres effektivt.

Superkondensatorens levetid bestemmes i høj grad af den kombinerede effekt af driftsspænding og temperatur (figur 3). Det er sjældent, at superkondensatoren fejler katastrofalt. I stedet ændrer dens kapacitans og interne modstand sig over tid og forringer gradvist ydeevnen, indtil komponenten ikke længere kan opfylde slutproduktets specifikationer. Nedgangen i ydeevne er typisk større i begyndelsen af slutproduktets levetid og aftager, efterhånden som slutproduktet bliver ældre.

Figur 3: Højere temperaturer og højere spændinger kan forkorte superkondensatorens levetid. (Billedkilde: Elcap, CC0, via Wikimedia Commons, ændret af forfatteren)

Når superkondensatoren anvendes som backupeffekt, vil den blive holdt på arbejdsspændingen i lange perioder og kun lejlighedsvis blive bedt om at aflade den lagrede energi. Dette vil i sidste ende påvirke ydeevnen. Databladet angiver nedgangen i kapacitansen over tid for typiske driftsspændinger og ved forskellige temperaturer. F.eks. kan der ske en reduktion af kapacitansen på 15 % og en stigning i den indre modstand på 40 % for en superkondensator, der holdes ved 2,5 volt i 88.000 timer (10 år) ved 25 °C. En sådan nedgang i ydeevnen bør tages i betragtning, når der konstrueres backup-enheder til slutprodukter med lang levetid.

Tidskonstanten for en kondensator er den tid, det tager enheden at nå 63,2 % af fuld opladning eller aflade til 36,8 % af fuld opladning. Superkondensatorens tidskonstant er ca. et sekund, hvilket er meget kortere end en elektrolytkondensator. På grund af denne korte tidskonstant bør konstruktøren sikre, at backupeffekt superkondensatoren ikke udsættes for en kontinuerlig ripple-strøm, da dette kan medføre skader.

Superkondensatorer kan fungere mellem 0 volt og deres maksimale nominelle kapacitet. Selv om superkondensatorens tilgængelige energi og strømlagring udnyttes effektivt, når den fungerer over det bredeste spændingsområde, har de fleste elektroniske komponenter en minimumsspændingstærskel. Dette minimumsspændingskrav begrænser den mængde energi, der kan trækkes fra kondensatoren.

F.eks. er den energi, der er lagret i kondensatoren, E = ½CV². Ud fra dette forhold kan det beregnes, at ca. 75 % af den tilgængelige energi er tilgængelig, hvis systemet drives ved halvdelen af kondensatorens nominelle spænding (f.eks. fra 2,7 til 1,35 volt).

Designudfordringer ved brug af flere superkondensatorer

Superkondensatorer har fordele, der gør dem velegnede til at levere backupstrøm til en lang række elektroniske produkter, men designeren skal være opmærksom på de designudfordringer, de medfører. Det kan være en stor opgave for den uerfarne ingeniør at implementere et kredsløb til nødstrømforsyning. Den vigtigste kompleksitet er, at kommercielle superkondensatorer er beregnet til ca. 2,7 volt, så for at levere en typisk 5 volts strømskinne skal der bruges to superkondensatorer i serie (Figur 4).

Figur 4: Kommercielle superkondensatorer er normeret til ca. 2,7 volt, så for at levere en typisk 5 volts strømskinne skal der bruges to superkondensatorer i serie, hvilket komplicerer designprocessen. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Selv om dette er en tilfredsstillende løsning, medfører det ekstra omkostninger og kompleksitet på grund af behovet for aktiv eller passiv cellebalancering. På grund af kapacitetstolerancer, forskellige lækstrømme og forskellige ESR'er kan spændingen over to eller flere nominelt identiske og fuldt opladede kondensatorer være forskellig. Denne spændingsubalance resulterer i, at den ene superkondensator i et reservekredsløb leverer en højere spænding end den anden. Efterhånden som temperaturen stiger og/eller superkondensatorerne ældes, kan denne spændingsubalance øges til det punkt, hvor spændingen over en superkondensator overstiger enhedens nominelle tærskelværdi og påvirker driftslevetiden.

Cellebalancering i applikationer med lav belastningscyklus opnås typisk ved at placere en bypass-modstand parallelt med hver celle. Modstandens værdi er valgt således, at den tillader enhver strøm at dominere den samlede superkondensatorlækstrøm. Denne teknik sikrer effektivt, at enhver variation i den ækvivalente parallelmodstand mellem superkondensatorerne er ubetydelig. Hvis superkondensatorerne i backup-kredsløbet f.eks. har en gennemsnitlig lækstrøm på 10 mikroampere (μA), vil en modstand på 1 % give mulighed for en omledning af strømmen på 100 μA, hvilket øger den gennemsnitlige lækstrøm til 110 μA. Herved reducerer modstanden effektivt variationen i lækstrømmen mellem superkondensatorerne fra ti procent til blot et par procent.

Når alle parallelle modstande er forholdsvis godt tilpasset, vil superkondensatorer med højere spænding aflade gennem deres parallelle modstand med en højere hastighed end superkondensatorer med lavere spænding. Dette fordeler den samlede spænding jævnt over hele serien af superkondensatorer. Til applikationer med høj belastning er det nødvendigt med en mere sofistikeret superkondensatorbalancering.

Brug af en enkelt superkondensator til en 5 volts forsyning

Kredsløbet til nødstrømforsyning kan gøres mindre komplekst og fylder mindre, hvis der anvendes en enkelt superkondensator i stedet for to eller flere. Et sådant arrangement eliminerer behovet for afbalancering af superkondensatorer. Den 2,7-volts udgang fra en enkelt enhed skal imidlertid øges ved hjælp af en boost-spændingsregulator, der skaber en tilstrækkelig spænding til at overvinde spændingsfaldet over en diode og levere 5 volt til systemet. Superkondensatoren oplades af en opladningsanordning og aflades gennem boost-konverteren, når det er nødvendigt. Dioder gør det muligt at forsyne systemet med strøm fra enten den primære strømkilde eller superkondensatoren (figur 5).

Figur 5: Ved at bruge en enkelt superkondensator i et strømforsyningskredsløb er det ikke længere nødvendigt at balancere cellerne, men det kræver en step-up-regulator til at øge superkondensatorens udgangsspænding. (Billedkilde: Maxim Integrated)

En mere elegant løsning er at bruge en enkelt kondensator suppleret med en specialiseret spændingsomformer, f.eks. Maxim Integrated's MAX38888 eller MAX38889 reversible buck-boost-spændingsregulator. Førstnævnte har en udgang på 2,5 volt til 5 volt og op til 2,5 ampere (A), mens sidstnævnte er en udgangsenhed på 2,5 volt til 5,5 volt og 3 A (Figur 6).

Figur 6: Når de reversible regulatorer MAX38889 (eller MAX38888) anvendes i et superkondensator-backup-kredsløb, eliminerer de behovet for separate oplader- og boost-enheder og dioder. (Billedkilde: Maxim Integrated)

MAX38889 er en fleksibel backup-regulator til lagringskondensatorer eller kondensatorbanker til effektiv overførsel af strøm mellem superkondensator(er) og en systemforsyningsskinne. Når hovedforsyningen er til stede, og dens spænding er over minimumstærskelværdien for systemforsyningsspænding, fungerer regulatoren i opladningstilstand og oplader superkondensatoren med en maksimal spidsstrøm på 3 A og en gennemsnitlig induktionsstrøm på 1,5 A. Superkondensatoren skal være fuldt opladet for at muliggøre backup-drift. Når superkondensatoren er opladet, trækker kredsløbet kun 4 μA strøm, mens komponenten holdes i sin beredskabstilstand.

Når hovedforsyningen fjernes, forhindrer regulatoren systemet i at falde under den indstillede backup-driftsspænding ved at øge superkondensatorspændingen til den nødvendige systemspænding ved en programmeret spidsinduktorstrøm på op til maksimalt 3 A. Den reversible regulator kan fungere ned til en superkondensatorforsyningsspænding på blot 0,5 volt, hvilket maksimerer den lagrede energianvendelse.

Varigheden af backup afhænger af superkondensatorens energireserve og systemets strømforbrug. Funktionerne i Maxim Integrated-produkterne giver mulighed for maksimal reservekraft fra en enkelt 2,7-volt superkondensator, samtidig med at antallet af kredsløbskomponenter reduceres ved at eliminere behovet for separate oplader- og boost-enheder samt dioder.

Konklusion

Superkondensatorer har flere fordele i forhold til sekundære batterier som reservekraft i særlige applikationer, f.eks. applikationer, der kræver hyppige batteriskift. Sammenlignet med genopladelige batterier oplades superkondensatorer hurtigere, de kan bruges mange flere gange og har en meget højere energitæthed. Deres maksimale 2,7-volt output introducerer dog nogle designudfordringer, når de skal bruges til at understøtte en typisk 5-volt forsyning.

Som vist tilbyder reversible step-down/step-up spændingsregulatorer en elegant løsning, idet de gør det muligt for en enkelt superkondensator at understøtte en 5 volts linje og samtidig minimere pladsen og antallet af nødvendige komponenter.