Sebbene i supercondensatori richiedano alcune precauzioni, stanno sostituendo le batterie nelle applicazioni di archiviazione dati che necessitano di un'alimentazione di backup ad alta corrente e di breve durata. Sono inoltre utilizzati in diverse applicazioni ad alto picco di potenza e in dispositivi portatili che richiedono impulsi di corrente elevata o un backup momentaneo a batteria. Rispetto alle batterie, i supercondensatori offrono picchi di potenza più elevati in dimensioni più compatte e una maggiore durata operativa in un intervallo di temperature più ampio. Rispetto ai condensatori ceramici, al tantalio o elettrolitici standard, i supercondensatori offrono una maggiore densità di energia e una maggiore capacità a parità di dimensioni e peso. Inoltre, la durata operativa di un supercondensatore è massimizzata riducendo la tensione massima del condensatore ed evitando temperature elevate (>50 °C).
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Riepilogo dei supercondensatori rispetto alle batterie:
• Batterie:
• Buona densità di energia
• Densità di potenza accettabile
• Elevata ESR a basse temperature
• Supercondensatori:
• Densità di energia accettabile
• Buona densità di potenza
• Bassa ESR, anche a basse temperature (x2 a -20 °C rispetto a 25 °C)
• Limitazioni dei supercondensatori:
• Limitati a 2,5 V o 2,75 V max.
• Corrente di spunto eccessiva all'inserimento della batteria
• Nessuna protezione dalla corrente inversa nelle applicazioni di mantenimento
• Vantaggi dei supercondensatori in serie:
• Migliore utilizzo dell'energia
• E = 1/2 CV2
• Semplifica i circuiti di ultima istanza/backup
• Buck vs. boost per backup a 3,3 V
• Adatto per backup ad alta potenza a temperature industriali
• Potenziali problemi per i condensatori in serie:
• Supercondensatori con capacità diverse
• Le discrepanze di dispersione dei supercondensatori possono causare sovratensione nel tempo: le celle richiedono un bilanciamento continuo
• La capacità e l'ESR dei supercondensatori si degradano nel tempo, ma non sempre alla stessa velocità
• Il degrado dei supercondensatori è accelerato da sovratensione e alte temperature
Sfide di progettazione con i supercondensatori
I supercondensatori offrono vantaggi; tuttavia, quando si tratta di caricare dispositivi di accumulo di energia in serie, il progettista del prodotto finale può incontrare problemi come il bilanciamento delle celle, il danneggiamento delle celle dovuto a sovratensione durante la carica, un consumo di corrente eccessivo e una soluzione ingombrante che occupa molto spazio quando questo è limitato.
Il bilanciamento delle celle nei condensatori collegati in serie garantisce che la tensione ai capi di ciascuna cella sia approssimativamente uguale; una mancanza di bilanciamento delle celle in un supercondensatore può causare danni da sovratensione. Un circuito esterno con una resistenza di bilanciamento per ogni cella rappresenta una soluzione a questo problema. Il valore della resistenza di bilanciamento dipenderà dalla temperatura di esercizio del supercondensatore e dal profilo di carica/scarica. Per limitare l'impatto dell'assorbimento di corrente dalle resistenze di bilanciamento sull'accumulo di energia del supercondensatore, i progettisti possono optare per un circuito di bilanciamento attivo a corrente molto bassa. Il disallineamento delle celle può anche derivare da correnti di dispersione variabili. La corrente di dispersione nelle celle dei condensatori inizia a un livello piuttosto elevato per poi diminuire nel tempo. Tuttavia, se la corrente di dispersione è diversa per le diverse celle in serie, queste potrebbero essere soggette a sovratensione dopo la ricarica, a meno che il progettista non intervenga per compensare la dispersione con resistenze di bilanciamento. Tuttavia, le resistenze di bilanciamento caricano il circuito con componenti indesiderati e corrente di carico.
Sfide nella progettazione di circuiti integrati per la ricarica di supercondensatori
Tra gli aspetti più complessi che un progettista deve considerare quando avvia un progetto di ricarica di supercondensatori vi sono i seguenti requisiti:
• Elevata efficienza e corrente di carica elevata. Un caricabatterie/bilanciatore buck-boost per supercondensatori ad alta efficienza e alta corrente include tutte le caratteristiche e le funzioni necessarie per sfruttare appieno i supercondensatori. Le soluzioni a componenti discreti, quando possibili, sono più complesse, più ingombranti, meno efficienti e meno precise.
• Elevata precisione e capacità di condivisione del carico. Limitare la corrente di ingresso con una precisione di +/- 2% e condividere il carico di ingresso consente a più carichi di condividere l'intera capacità dello stesso alimentatore con un degrado/margine minimo. Questa funzionalità non è praticabile con una soluzione a componenti discreti.
• Bilanciamento attivo. I sistemi a supercondensatori utilizzano in genere un bilanciamento prevalentemente dissipativo (resistivo). Il bilanciamento attivo trasferisce in modo efficiente la carica tra i condensatori, eliminando le perdite di potenza e i corrispondenti cicli di ricarica dei metodi dissipativi.
Nuove soluzioni per sistemi di backup con supercondensatori.
Una soluzione di ricarica basata su supercondensatori con un circuito integrato buck-boost che risolva i problemi sopra menzionati deve possedere le seguenti caratteristiche:
• Flessibilità, in quanto deve funzionare in modo efficiente sia in modalità boost che buck
• Capacità di eseguire il bilanciamento attivo del carico con la tensione massima programmabile del condensatore
• Capacità di fornire un'elevata corrente di carica
• Limitazione precisa e programmabile della corrente di ingresso media
• Soluzione di dimensioni ridotte e a basso profilo
• Packaging avanzato per migliorare le prestazioni termiche e l'efficienza dello spazio
Caricabatterie per supercondensatori LTC3128 Buck-Boost con bilanciamento attivo.
L'LTC3128 è un caricabatterie per supercondensatori buck-boost ad alta efficienza con limitazione della corrente di ingresso e bilanciamento attivo del carico per uno o due supercondensatori in serie. È dotato di limitazione programmabile della corrente di ingresso fino a 3 A con una precisione di +/-2%, prevenendo il sovraccarico dell'alimentatore e minimizzando i tempi di ricarica dei condensatori. Il bilanciamento attivo del carico ad alta efficienza elimina le resistenze di dissipazione di zavorra esterne, garantendo un funzionamento bilanciato e una ricarica anche con condensatori non bilanciati e cicli di ricarica meno frequenti. La regolazione programmabile della tensione massima del condensatore monitora e rinforza attivamente la tensione tra ciascun condensatore in serie, garantendo un funzionamento affidabile anche con l'invecchiamento dei condensatori e lo sviluppo di disallineamenti di capacità. La topologia buck-boost a basso rumore consente di caricare il supercondensatore di uscita indipendentemente dal fatto che il suo valore sia superiore o inferiore a quello di ingresso. Gli interruttori sincroni a bassa RDS(ON) e la bassa carica di gate forniscono una conversione ad alta efficienza per minimizzare i tempi di carica degli elementi di accumulo. Questa combinazione di caratteristiche rende l'LTC3128 ideale per la carica e la protezione sicura di condensatori di grandi dimensioni in applicazioni di alimentazione di backup. La Figura 2 mostra un tipico circuito applicativo di backup.
Il limite di corrente di ingresso e la tensione massima del condensatore dell'LTC3128 sono programmabili tramite un singolo resistore. La corrente di ingresso media è controllata con precisione entro un intervallo programmabile da 0,5 A a 3 A, e la tensione massima ai capi di ciascun condensatore può essere impostata tra 1,6 V e 3,0 V. Altre caratteristiche dell'LTC3128 includono una corrente di riposo inferiore a 2 μA quando opera con VOUT in modalità Burst Mode®, indicatori precisi di interruzione dell'alimentazione e protezione da sovraccarico termico.
Ricarica efficiente:
l'LTC3128 utilizza il controllo PWM della corrente di ingresso media a frequenza fissa durante la ricarica del/dei condensatore/i di uscita. Un algoritmo di commutazione proprietario consente al caricabatterie di passare senza interruzioni tra le modalità buck e boost senza alcuna variazione nelle caratteristiche di corrente dell'induttore o del circuito. La topologia del caricabatterie buck-boost è mostrata in Figura 3.
Due interruttori (D ed E) collegano SW2 a VOUT per garantire un'elevata efficienza su tutta la gamma di tensione di uscita. L'LTC3128 raggiunge un'efficienza elevata, superiore al 90%, come mostrato nel grafico in Figura 4.
In conclusione:
L'LTC3128 è un caricabatterie DC-DC buck-boost per supercondensatori controllato dalla corrente di ingresso media. Utilizza un algoritmo di commutazione proprietario che consente di regolare la tensione di uscita a un livello superiore, inferiore o uguale alla tensione di ingresso. Il dispositivo è una soluzione single-chip compatta, potente e flessibile. La sua capacità di caricare efficacemente ed efficientemente il supercondensatore sia in direzione boost che buck, proteggendo e bilanciando al contempo le celle, semplifica notevolmente un'operazione che tradizionalmente risultava molto complessa. Per ulteriori informazioni, visitare il sito www.linear.com/products/supercapacitor_chargers
