česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 09. prosinec 2021

Záložní napájení se superkapacitory a omezením vstupního proudu

DPS 6/2017 | Součástky - články
Autor: David Salerno, Linear Technology

Superkapacitory pozorujeme na pozici záložních zdrojů napájení stále častěji. Z velké části za to může neustále rostoucí kapacita vztažená na jednotku objemu spolu s jejich robustní povahou. Velké výstupní kondenzátory však mohou možnosti vstupního zdroje přetěžovat, a to především tehdy, bude-li takový zdroj omezen protokolem (USB nebo PCMCIA), příp. velkým vnitřním odporem. Zmiňované limitace mohou naše návrhy komplikovat, nicméně řešení existuje. Záložní zdroje zjednodušíme s obvody LTC3128 doplňujícími kompletní nabíječku superkapacit přesným a také nastavitelným proudovým omezením. K realizaci takové nabíječky s omezením vstupního proudu 3,0 A potřebujeme dle obr. 1 pouze několik součástek.

Obr. 1 Kompletní zapojení nabíječky superkapacitorů s omezením vstupního proudu

Obvody LTC3128 tvoří snižující – zvyšující DC/DC nabíječka superkapacitorů s přesným a nastavitelným omezením vstupního proudu (až do 3 A) a také aktivním vyvažováním. Dostaneme ji v pouzdrech typu QFN o rozměrech 4 × 5 × 0,75 mm nebo provedení TSSOP s 24 vývody. Účinnému a zároveň kompaktnímu řešení s nízkou zastavěnou výškou pro nabíjení velkých výstupních kapacit zde nahrává spínací kmitočet 1,2 MHz společně s vestavěnými spínači s malým odporem a stejně tak i nábojem hradla. Vysoká přesnost nastavitelného omezení vstupního proudu (±2 %) umožňuje vývojářům limitovat maximální proudové odběry, a to přímo s ohledem na možnosti vstupního zdroje.

Sledování napětí na kondenzátoru a také ochrana ve spojení se zapracovaným aktivním vyrovnáváním náboje zabrání napěťovému přetěžování nevhodně zvolených kapacit. Kondenzátory s nerovnými parazitními proudy zároveň udržuje v rovnováze. S obvody LTC3128 tak dostáváme vhodné řešení pro záložní zdroje nebo též aplikace s pulzní zátěží. Ideálně právě se superkapacitory, kvůli jejich dlouhé životnosti a rovněž i počtu cyklů (až 10 let a 500 000 cyklů) spolu s poměrně jasnými profily nabíjení.

Doba nabíjení a výdrž superkapacit

Budeme-li navrhovat záložní systém, pracujeme se dvěma důležitými ukazateli – dobou nabíjení a také výdrží takto vzniklého zdroje. První z nich definuje nejkratší dobu, kterou systém potřebuje k dosažení provozuschopného stavu dříve, než bude schopen ustát výpadek v napájení. S druhým parametrem zase stanovujeme, jak dlouho může aplikace ze svého záložního zdroje pracovat. Délku nabíjení nám určuje kombinace nastaveného omezení vstupního proudu, zvolené výstupní napětí, účinnost měniče a také výstupní kapacita.

Dobu nabíjení výstupní kapacity o velikosti 1 F při nastaveném vstupním proudu 3,0 A zachycuje obr. 2. Charakteristiky zde berou v úvahu VIN, VOUT a také účinnost měniče. Bude-li výstupní kapacita větší nebo i menší než 1 F, změní se doba úměrně k této kapacitě. Na konci nabíjení obvod LTC3128 znovu nastavuje vstupní proud k završení nabíjení výstupního kondenzátoru. Činí tak proto, aby zamezil opakovaným přechodům obvodu mimo stav regulace spojeným s ESR výstupních kapacit. Příklad takových změn nabíjecího proudu v okamžiku, kdy se kondenzátor blíží plnému nabití, vidíme na obr. 3. Dochází k tomu při dosažení 95 % nastaveného výstupního napětí a je to rovněž i napětí, které by mělo být k výpočtu doby nabíjení použito.

Obr. 2 Doba nabíjení s obvodem LTC3128, Obr. 3 Profil vstupního proudu při nabíjení

Zapojení na obr. 1 nabíjí kondenzátor 100 F na 4,2 V s nastaveným vstupním proudem 3,0 A a VIN rovným 3,3 V. Z obr. 2 plyne, že nabít kondenzátor o velikosti 1,0 F z nuly na 4,0 V (4,0 V zde odpovídá 0,95 × 4,2 V) zabere 1,3 vteřiny. Protože však v našem příkladu počítáme se stonásobnou kapacitou, bude nabití kondenzátoru 100 F z nuly na 4,0 V trvat zhruba 130 sekund.

Abychom dokázali stanovit, jak dlouho může záložní zdroj dodávat energii do systému, musíme rozhodnout o provozním napěťovém rozsahu výstupu. V našem případě bude napětí na výstupu klesat ze 4,2 V až na 1,0 V. Energii uloženou v kondenzátoru 100 F pak počítáme jako

W = ½ × COUT × (UVÝCHOZÍ)² –

– ½ × COUT × (UKONEČNÉ)² =

= ½ × 100 × 4,2² – ½ × 100 × 1,0² =

= 832 J

kde W bude vykonaná práce v joulech, COUT celková výstupní kapacita, UVÝCHOZÍ počáteční napětí na COUT a UKONEČNÉ minimální napětí, na něž může COUT klesnout. Připojíme-li k VOUT sekundární zvyšující měnič, poslouží nám k zajištění konstantního odběru ze superkapacitoru.

Příklad takového zdroje napájeného výstupním napětím obvodu LTC3128 vidíme na obr. 4. Dokumentace k obvodům LTC3122 ukazuje, že pro 12V výstup zatížený 100 mA bude průměrná účinnost měniče mezi 1 V až 4,2 V na vstupu dosahovat přibližně 80 %. To pak odpovídá trvalé zátěži záložního kondenzátoru na úrovni 1,5 W. Výdrž tedy určíme ze vztahu

tZÁLOŽNÍ = WULOŽENÁ / PZÁTĚŽE = 832 J / 1,5 W = 554,66 s

kde tZÁLOŽNÍ odkazuje na výdrž systému, WULOŽENÁ dostupnou energii výstupní kapacity a PZÁTĚŽE spotřebu sekundárního měniče.

Obr. 4 Zvyšující měnič LTC3122 napájený z obvodu LTC3128

Vyvažování superkondenzátorů

Abychom se superkapacitami dosáhli vyšších výstupních napětí, potřebujeme do série zapojit dva nebo i více článků. V závislosti na výrobci a použitém typu bude totiž maximální napětí každé kapacity zpravidla mezi 2,3 a 2,7 V. Životnost kondenzátoru je pak závislá na přítomném napětí. Chceme-li ji prodloužit, měli bychom napětí na kondenzátoru udržovat pod jmenovitým maximem. Výrobci kapacit obvykle předepisují, jak napětí na superkapacitorech snížit a prodloužit přitom jejich životnost.

Obvod LTC3128 „pamatuje“ na stavitelný komparátor maximálního napětí na kondenzátoru a také účinné aktivní vyrovnávání náboje. Tyto komparátory sledují napětí každé jednotlivé kapacity a zajišťují, že nastavená úroveň nebude během nabíjení překročena. Dosáhneme-li tedy na kterémkoli kondenzátoru maximálního nastaveného napětí, obvod LTC3128 zastavuje nabíjení, aby mohl vyvážit články. Teprve pak může pokračovat dál.

K účinnému přenosu náboje z jednoho kondenzátoru do druhého za účelem jejich vyvažování, takže je na kapacitách udržováno stejné napětí, slouží aktivnímu obvodu vyrovnávání náboje indukčnost připojená k LTC3128. To je důležité, protože během funkční zálohy, budou-li kondenzátory až příliš vzdáleny nějakému rovnovážnému stavu, se může polarita některého z článků obrátit a zničit přitom kondenzátor. Obvody LTC3128 budou články vyvažovat pouze tehdy, bude- li u jednoho z nich překročeno nastavené maximální napětí na kapacitě, příp. je-li výstupní napětí regulováno a kondenzátory máme v nerovnováze, ale nedošlo k překročení napěťového maxima.

Obr. 5 Obvod LTC3128 s vyvažováním náboje a ochranou pro případ výskytu maximálního napětí na kapacitě, Obr. 6 Obvod LTC3128 a zvyšující měnič LTC3122 napájený přímo ze vstupu

Aktivně řešené vyvažování náboje předchází vysokým klidovým odběrům a trvalé výkonové ztrátě pasivního přístupu. Na obr. 5 máme zachycen obvod LTC3128 v konfiguraci s celkovou výstupní kapacitou 100 F, nastaveným výstupním napětím 4,2 V a maximálním napětím 2,7 V pro každou z kapacit.

Nabíjíme a napájíme zároveň

V záložních systémech nemůžeme pokaždé čekat, dokud se před začátkem provozu nenabijí jejich kapacity. Existuje však způsob, se kterým dokážeme sekundární měnič napájet přímo ze vstupního zdroje, zatímco současně nabíjíme superkapacitory. Obvod LTC3128 totiž přídavnému měniči umožňuje „opatřit si“ proud prostřednictvím rezistoru snímajícího proud, který bude přímo součástí vnitřní struktury LTC3128. Sekundární měnič tak bude požadovaný proud až do 4 A získávat rovnou ze zdroje, zatímco obvod LTC3128 bude s nastaveným vstupním proudem, po odečtení odběru sekundárního měniče, nabíjet výstupní kondenzátory. Pokud přídavný měnič svým odběrem nepřekračuje nastavenou vstupní úroveň, LTC3128 omezuje celkovou spotřebu ze vstupu s ohledem na nastavenou hodnotu a zbývajícím dostupným proudem přitom nabíjí záložní kapacity. Za účelem prodloužení doby zálohy obvod LTC3128 odebírá v režimu shutdown z VOUT méně než 1 μA, resp. pod 2 μA pro případ UVLO na vstupu. Popsanou možnost napájení přímo ze vstupu vidíme s obvody LTC3128 a LTC3122 na obr. 6.

Závěr

Snižující – zvyšující 3A DC/DC nabíječky superkapacitorů LTC3128 budou efektivním řešením účinného nabíjení a také ochrany zmiňovaných kapacit nasazených v aplikacích s vysokou spolehlivostí a také dlouhou životností. Vývojářům přináší nastavitelné omezení vstupního proudu s přesností ±2 %, stejně tak i komparátory pracující s maximálním napětím na kapacitě nebo aktivní vyrovnávání náboje.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik