česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 25. červenec 2024

Jak může technologie PassThru™ prodloužit výdrž systému pro ukládání energie

DPS 5/2023 | Články
Autor: Bryan Angelo Borres, Anthony Serquiña, Analog Devices
úvod.png

Režim PassThru™ znamená v případě kontrolérů možnost připojit zdroj napájení rovnou k zátěži. Ve snižujících – zvyšujících nebo jen zvyšujících měničích se používá ke zlepšení účinnosti a také elektromagnetické kompatibility [1], [2]. V článku si ukážeme výhody součástek vybavených technologií PassThru™ v porovnání s dalšími kontroléry, stejně jako způsob, jak díky zmíněnému režimu prodloužit výdrž systému sloužícího k ukládání energie, speciálně pak v případě celkové doby provozu superkondenzátoru.

Pár slov úvodem

Rostoucí výdrž baterie znamená lepší vlastnosti systému, delší provozní dobu a také menší náklady. Ke třem způsobům, jak toho dosáhnout, zde obvykle patří lepší technologie baterií, včetně způsobu řešení samotného zařízení, a také inovace, pokud jde o systémy pro řízení energie. Zkvalitnění technologie baterií pak zahrnuje volbu správného článku pro danou aplikaci, včetně návrhu vhodného systému pro správu baterií za účelem řízení nabíjení, regulace teploty a minimalizace ztrát. Lepší návrh zařízení dále vyžaduje zvážení efektivně pracujících hardwarových součástek, včetně robustního firmwaru, kdy obojí potřebujeme k zajištění optimální rovnováhy mezi funkčností a výdrží. Abychom konečně chytře optimalizovali spotřebu energie, máme zde k dispozici nejnovější systémy řízení napájení využívající algoritmů založených na umělé inteligenci, stejně jako novější topologie a také účinné způsoby řízení měniče, jako je režim PassThru™, včetně módu pro úsporu energie.

Něco o superkondenzátorech

V různých situacích může být výhodné použít společně s bateriemi též součástky typu superkapacit sloužících k ukládání energie [3]. K jejich přednostem patří rychlé nabíjení a také vybíjení s krátkými pulzy, delší životnost a celkově vyšší efektivita systému. Superkondenzátory např. vynikají při rychlém ukládání energie a zajišťování záložního napájení. Vydrží rovněž náročné podmínky, včetně extrémních teplot. Ve spojení s bateriemi, např. v elektromobilech, pomáhají superkapacity zlepšit vlastnosti a prodloužit výdrž zdroje. Lepším řešením navíc budou i z pohledu životního prostředí [4].

Na obr. 1 vidíme, jak se superkondenzátor liší od baterie. Šestičlánkový akumulátor Li-Po s kapacitou 0,1 Ah a stejným jmenovitým napětím zde vystupuje jako napěťový zdroj, protože při své činnosti zajišťuje v celém rozsahu stabilnější napětí. Když ale bude naproti tomu do zátěže téct proud z dvoufaradového superkondenzátoru, klesá již napětí lineárně. Zmíněná lineární charakteristika vybíjení pak u superkapacit vyžaduje účinnější systémy sloužící ke konverzi takové energie. Jako nejvýhodnější řešení se bude jevit právě snižující – zvyšující měnič, protože dokáže vhodně regulovat napětí na výstupu, ať již bude vstupní napětí nižší, nebo i vyšší než jeho nastavená úroveň.

Co je to režim PassThru™

Technologie PassThru™ je základním prvkem obvodů napájených v širokém vstupním rozsahu. Ve srovnání s přístupy, které využívají tradičního způsobu řízení, tedy standardními snižujícími – zvyšujícími kontroléry, umožňuje dosahovat vyšší účinnosti a také delší výdrže systémů pro ukládání energie. K „průchodu skrz“ dochází tak, že se vstup s ohledem na předem zvolené napěťové okno dostává přímo na výstup, jako by tam byl v cestě zapojený obyčejný vodič. Technologie PassThru™ proto vystupuje jako struktura zapojená mezi zdrojem napájení, jako je třeba superkondenzátor, a zátěží, kde také zajišťuje regulaci napětí v daném přípustném rozsahu. Díky tomu, že nám vznikla přímá trasa vedoucí od zdroje až k zátěži, pak může zařízení pracovat s maximální možnou účinností. Režim PassThru™ je důležitou podmínkou pro zajištění optimálního provozu jakéhokoli zařízení využívajícího při napájení superkapacit. Omezuje totiž u nich cykly se zátěží / bez zatížení a dále zlepšuje i záležitosti spojené s EMI, včetně celkových vlastností návrhu.

Jak díky režimu PassThru™ prodloužíme výdrž systému pro ukládání energie

Režim PassThru™ zajišťuje u snižujících – zvyšujících měničů se čtyřmi spínacími tranzistory přímou trasu vedoucí od zdroje napájení až k výstupu a jeho zátěži, to vše v souladu s konkrétním nastaveným oknem, viz také obr. 2. Vstup se proto může dostat rovnou na výstup. V rámci stanoveného okna PassThru™ lze tudíž navyšovat účinnost, jelikož zde nemáme ztráty provázející spínání. Zároveň se nám zlepšuje též elektromagnetická kompatibilita, protože ve zmíněném režimu není přítomný spínací kmitočet.

Režim PassThru™ znamená v případě snižujícího – zvyšujícího měniče i flexibilitu, protože nám umožňuje nastavit výstupní napětí ve snižujícím režimu odlišně od výstupního napětí ve zvyšujícím módu – na rozdíl od typických snižujících/zvyšujících integrovaných obvodů, které nabízí pouze jedno nominální výstupní napětí. Zmíněná funkce rovněž chrání zátěž v případech, kdy se vstupní napětí chová neobvykle, jak je to vysvětleno i v článku „Protecting and Powering Automotive Electronics Systems with No Switching Noise and 99.9% Efficiency“ [1]. Technologie PassThru™ je provozním režimem integrovaného obvodu LT8210 [6], který se na trhu také stává jediným dostupným „buck-boost“ kontrolérem se zmíněnou možností. Pro více informací dále odkazujeme na článek „4-Switch Buck-Boost Controller with PassThru Capability Eliminates Switching Noise“ [7].

Abychom si udělali představu o provozním režimu PassThru™ obvodu LT8210, můžeme nahlédnout do jeho dokumentace [8] nebo u příslušné vývojové desky prozkoumat průběh účinnosti. Na obr. 3 jej vidíme pro demo desku DC2814A-A poplatně vstupnímu napětí od 4 V do 24 V a zatížení 10 až 80 %. Systém vystavěný na obvodu LT8210 zde pracuje se vstupním napětím 4 až 40 V, zatímco plné zatížení dosahuje 3 A a výstupní napětí pak 8 až 16 V. Činnost v módu PassThru™ zvyšuje při vyšším zatížení účinnost až o 5 %, přičemž u menších zátěží to bude až 17 % (10 % proudového zatížení a s odkazem na snižující – zvyšující provoz). V pracovních podmínkách s lehkou zátěží tak režim představuje výrazné zlepšení.

Znovu zdůrazňujeme, že mód PassThru™ obvodu LT8210 umožňuje nastavit odlišné výstupní napětí ve zvyšujícím a snižujícím režimu. Když se pak vstupní napětí pohybuje okolo definované výstupní úrovně, projeví se oblast „buck-boost“, která se u součástky vyskytuje kvůli protnutí obou oblastí řízení s ohledem na regulaci proudu tekoucího jednou indukčností.

Abychom lépe porozuměli smyslu režimu PassThru™, uvažujme systém znázorněný na obr. 4. Snižující – zvyšující měnič se čtyřmi spínači zde slouží jako předřazený regulátor měniče pracujícího v místě zátěže (point-of-load), který zároveň slouží jako budič motoru. Zatímco zdrojem napájení je 24V superkapacita, DC motor bude na vstupu vyžadovat 9 V a 0,3 A. Snižující – zvyšující měnič poté využije buď režimu PassThru™, nebo klasického způsobu řízení systému se čtyřmi tranzistory v módu CCM (continuous conduction mode), které však režim PassThru™ nezná. K dispozici je pouze snižující, zvyšující a snižující – zvyšující provoz, viz také obr. 3.

Systém využívající režimu PassThru™ má nastaveno své výstupní napětí v módu Boost na 12 V, zatímco v případě Buck to bude činit 27 V. Výchozí napětí superkapacity se proto bude nacházet v mezích pásma průchodnosti [5]. Návrh tedy využije režimu PassThru™ při napětí superkapacity od 24 V do 12 V, kdy také účinnost dosahuje 99,9 %. Povšimněte si, že měnič dále vstupuje do snižujícího – zvyšujícího módu, což je provázeno prudkým poklesem účinnosti před tím, než se bude pokračovat ve zvyšujícím režimu. Řešení využívající klasického způsobu řízení „buck-boost“ bylo na druhou stranu navrženo tak, aby pracovalo s konstantním výstupním napětím 16 V, které pak zhruba odpovídá středu v nastavení limitů pásma průchodnosti systému.

Obr. 5 již umožňuje porovnat účinnost dvou snižujících – zvyšujících měničů v napěťovém rozsahu od 4 V do 24 V a při 2,7 wattech. Režim PassThru™ zde v porovnání s tradičně ovládaným systémem zvyšuje účinnost o 22 až 27 %. Abychom potvrdili rozdíl v obou systémech, byly dále testovány s využitím funkce pro emulaci baterie (ITECH IT6010C-80-300). K napodobení reakce superkondenzátoru po dobu alespoň 120 vteřin bylo použito následující nastavení: počáteční napětí 24 V, koncové napětí 0 V, elektrický náboj 0,005 Ah a vnitřní odpor 0,01 mΩ. Průběhy pro oba systémy jsou znázorněné na obr. 6. Kanál č. 1 se vztahuje k napětí emulátoru baterie, kanál č. 2 poté k napětí na motoru a třetí kanál se konečně týká proudu tekoucího motorem. Systém využívající řízení PassThru™ běžel 224 vteřin, zatímco tradičně navržené řešení bylo v činnosti jen po dobu 150 sekund. V prvním případě jsme tak díky módu PassThru™ zaznamenali nárůst provozní doby o 49 %.

Systém řízený na základě technologie PassThru™ bude pracovat efektivněji mimo jiné i z těchto několika důvodů:

  • - mód PassThru™ vylučuje činnost ve snižujícím režimu (Buck),
  • - napětí baterie je v rámci pásma průchodnosti, jak to doporučuje i článek „A Two-Stage Multiple-Output Automotive LED Driver Architecture“ [5],
  • - vše bylo navrženo tak, aby pracovalo při lehkém zatížení a s důrazem na ztráty při spínání.

Závěr

Technologie PassThru™ je důležitým předpokladem pro optimální činnost jakéhokoli zařízení napájeného ze superkondenzátorů. Pokud využijeme synchronně snižujícího – zvyšujícího kontroléru LT8210 s režimem PassThru™, dokážeme pak ve srovnání s tradičně řízeným návrhem (měnič buck-boost s CCM) výrazně optimalizovat i účinnost systémů se superkapacitami. V našem případě jsme díky zmíněnému režimu zvýšili účinnost o 27 % a také se nám v úhrnu prodloužila celková provozní doba, takže systém pro ukládání energie vydržel v činnosti o 49 % déle.

Odkazy:

[1] David Megaw. „Protecting and Powering Automotive Electronics Systems with No Switching Noise and 99.9% Efficiency.” Analog Dialogue, Vol. 54, No. 1, February 2020. Dostupné z https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/protecting-and-powering-automotive-electronics-systems-with-no-switching-noise.html

[2] Frederik Dostal. „PassThru of a Voltage Using Buck-Boost Regulators.” Analog Devices, Inc., November 2021. Dostupné z https://www.analog.com/en/technical-articles/passthru-of-a-voltage-using-buck-boost-regulators.html

[3] Srdjan M. Lukic, Jian Cao, Ramesh C. Bansal, Fernando Rodriguez a Ali Emadi. „Energy Storage Systems for Automotive Applications.” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 55, No. 6, June 2008. Dostupné z https://ieeexplore.ieee.org/document/4450599

[4] „Supercapacitors Could Be Key to a Green Energy Future.” National Science Foundation, July 2008. Dostupné z https://new.nsf.gov/news/supercapacitors-could-be-key-green-energy-future

[5] Satyaki Mukherjee, Alihossein Sepahvand, Vahid Yousefzadeh, Montu Doshi a Dragon Maksimović. „A Two-Stage Multiple-Output Automotive LED Driver Architecture.” 2020 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), October 2020. Dostupné z https://ieeexplore.ieee.org/document/9235835

[6] https://www.analog.com/en/products/lt8210.html

[7] https://www.analog.com/en/design-notes/4-switch-buck-boost-controller-with-Pass-Thru-capability-eliminates-switching-noise.html

[8] https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/LT8210.pdf