Hur man använder en superkondensator som reservkraft för en 5 V-strömförsörjning

Lösningar för reservkraft som tidigare var begränsade till verksamhetskritiska enheter efterfrågas numera inom en stor mängd elektroniktillämpningar i industriella, kommersiella och konsumentrelaterade slutprodukter. Även om det finns flera alternativ, så är superkondensatorn den mest kompakta och energitäta lösningen som energireserv när huvudförsörjningen avbryts. Som exempelvis vid strömavbrott eller batteribyte.

Superkondensatorer innebär dock utmaningar vid konstruktion eftersom respektive enhet endast kan leverera upp till 2,7 V. Det kan innebära att det behövs flera superkondensatorer, var och en med tillhörande cellbalansering och spänningsomvandlare för step-up (boost) eller step-down (buck), för att leverera reglerad ström till en 5 V-matning. Resultatet är en komplicerad och nyanserad krets som är relativt dyr och kräver mycket plats på kretskortet.

Artikeln jämför batterier med superkondensatorer och förklarar varför de sistnämnda erbjuder flera tekniska fördelar i kompakt elektroniska tillämpningar för låg spänning. Artikeln förklarar sedan hur man utformar en enkel och elegant lösning för att driva en 5 V-matning med hjälp av bara en kondensator i kombination med en reversibel spänningsomvandlare med buck-/boost.

Batterier jämfört med superkondensatorer

Konstant strömförsörjning har blivit en viktig del av en tillfredsställande användarupplevelse i moderna elektroniska apparater. Utan en konstant strömförsörjning slutar elektroniska produkter inte bara att fungera, de kan även förlora viktig information. En dator som är ansluten till elnätet kommer exempelvis att förlora data som finns i det flyktiga RAM-minnet om det blir ett strömavbrott. Eller så kan en insulinpump förlora viktiga blodsockermätningar från det flyktiga minnet när batteriet byts ut.

Ett sätt att förhindra detta är att ha ett reservbatteri som lagrar energi som sedan kan frigöras om den huvudsakliga strömkällan försvinner. Litiumjonbatterier är en mogen teknik med mycket god energitäthet, vilket gör att en relativt kompakt enhet kan ge reservkraft under längre perioder.

Men oavsett batteriernas kemiska uppbyggnad, så har alla batterier olika egenskaper som kan vara problematiska under vissa omständigheter. De är exempelvis relativt tunga, tar relativt lång tid att ladda upp (vilket kan vara ett problem om det ofta uppstår strömavbrott), cellerna kan bara laddas ett begränsat antal gånger (vilket ökar underhållskostnaderna) och de kemikalier som de tillverkas av kan medföra säkerhets- och miljörisker.

En alternativ reservkraftslösning är superkondensatorn, även kallad ultrakondensator. En superkondensator är ur teknisk synvinkel en elektrisk kondensator med dubbla skikt (EDLC). Enheten är konstruerad med hjälp av symmetriska, elektrokemiskt stabila, positiva och negativa kolelektroder. Dessa separeras av en isolerande jongenomtränglig avskiljare som är inbyggd i en behållare fylld med en organisk elektrolyt av salt/lösningsmedel. Elektrolyten är utformad för att maximera jonernas ledningsförmåga och elektrodernas vätning. Kombinationen av aktiva kolelektroder med stor yta och extremt liten laddningsseparation medför att en superkondensator har mycket högre kapacitans än konventionella kondensatorer (figur 1).

Figur 1: En superkondensator innehåller symmetriska positiva och negativa kolelektroder som separeras av en isolerande jongenomtränglig avskiljare som är nedsänkt i en elektrolyt. Kombinationen av elektroder med stor yta och extremt liten laddningsseparation ger hög kapacitans. (Bildkälla: Maxwell Technologies)

Laddningen lagras elektrostatiskt genom reversibel adsorption av elektrolyten på kolelektrodernas stora yta. Laddningsseparation sker vid polarisering av skiktet mellan elektrod och elektrolyt, vilket ger upphov till begreppet dubbla skikt. Denna mekanism är mycket reversibel, vilket gör att superkondensatorn kan laddas upp och laddas ur hundratusentals gånger, även om kapaciteten minskar något med tiden.

Eftersom superkondensatorer är beroende av den elektrostatiska mekanismen för att lagra energi är deras elektriska prestanda mer förutsägbara än batterier, och deras konstruktionsmaterial gör dem mer tillförlitliga och mindre känsliga för temperaturförändringar. Ur säkerhetssynpunkt innehåller superkondensatorer färre flyktiga material än batterier och kan laddas ur helt för säker transport.

Ytterligare en fördel är att superkondensatorer laddas upp mycket snabbare än sekundära batterier, så om strömmen försvinner igen strax efter det första felet finns det tillgänglig reservkraft redo - och de kan inte överladdas. Superkondensatorer kan även tåla många fler laddningscykler, vilket sänker underhållskostnaderna.

Superkondensatorer har dessutom en mycket högre effekttäthet (ett mått på hur mycket energi som kan lagras eller levereras per tidsenhet) än batterier. Detta garanterar inte bara en snabb laddning utan möjliggör även höga strömuttag vid behov, vilket medför att de kan användas som reservkraft i fler tillämpningar (figur 2). Superkondensatorer har dessutom ett mycket lägre effektivt seriemotstånd (ESR) än batterier. Detta medför att de kan leverera ström effektivare utan risk för överhettning. Superkondensatorer har en typisk effektomvandlingeffektivitet på mer än 98 %.

Figur 2: Uppladdningsbara batterier kan leverera ström under långa perioder vid låga strömmar men tar lång tid att ladda upp. Superkondensatorer (eller ultrakondensatorer) kan laddas ur snabbt med hög ström, men kan även återladdas snabbt. (Bildkälla: Maxwell Technologies)

Den största nackdelen med superkondensatorer är deras relativt låga energitäthet (ett mått på mängden energi som kan lagras per volymenhet) jämfört med uppladdningsbara batterier. Med dagens teknik kan ett litiumjonbatteri lagra tjugo gånger mer energi än en superkondensator med samma volym. Skillnaden minskar i takt med att nya material förbättrar superkondensatorerna, men den kommer troligen att vara betydande under många år. En annan betydande nackdel med superkondensatorer är den relativt höga kostnaden jämfört med litiumjonbatterier.

Konstruktionsöverväganden för superkondensatorer

Om en elektronisk produkt ska förlita sig på en superkondensator som reservkraft är det viktigt att konstruktören förstår hur man väljer den bästa komponenten för tillförlitlig energilagring och leverans samt lång livslängd.

En av de första sakerna du bör kontrollera i databladet är temperaturens inverkan på kapacitans och resistans. Det är god konstruktionspraxis att välja en enhet som uppvisar mycket små förändringar inom slutproduktens avsedda driftstemperaturområde, så att den tillförda spänningen är stabil om reservkraft behövs och energin levereras effektivt.

Superkondensatorns livslängd bestäms till stor del av den kombinerade effekten av driftsspänning och temperatur (figur 3). Superkondensatorn går sällan sönder helt. I stället förändras dess kapacitans och interna resistans över tid, vilket försämrar prestandan gradvis tills komponenten inte längre uppfyller slutproduktens specifikation. Prestandaförsämringen är vanligtvis större i början av slutproduktens livslängd och avtar när slutprodukten åldras.

Figur 3: Högre temperaturer och spänningar kan förkorta superkondensatorns livslängd. (Bildkälla: Elcap, CC0, via Wikimedia Commons, ändrad av författaren)

När superkondensatorn används i en reservkraftstillämpning kommer den att arbeta vid driftspänningen under långa perioder och endast behöva ladda ur den lagrade energin vid några sällsynta tillfällen. Detta kommer så småningom att påverka prestandan. Databladet anger hur kapacitansen minskar över tid vid typiska driftsspänningar och vid olika temperaturer. Som exempel, kan en minskning av kapacitansen med 15 % och en ökning av den interna resistansen med 40 % ske i en superkondensator som drivs med 2,5 V i 88 000 timmar (10 år) vid 25 °C. En sådan prestandaförsämring bör beaktas när man utformar reservkraftsenheter för slutprodukter med lång livslängd.

Tidskonstanten för en kondensator är den tid det tar för enheten att nå 63,2 % av full laddning eller laddas ur till 36,8 % av full laddning. Superkondensatorns tidskonstant är ungefär en sekund, vilket är mycket kortare än en elektrolytkondensator. På grund av denna korta tidskonstant bör konstruktören se till att superkondensatorn för reservkraft inte utsätts för en kontinuerlig rippelström, då detta kan medföra skador.

Superkondensatorer kan arbeta mellan 0 V och sin maximala nominella kapacitet. Även om superkondensatorns tillgängliga energi- och effektlagring utnyttjas effektivt när den arbetar inom det bredaste spänningsområdet, så har de flesta elektroniska komponenter ett gränsvärde för lägsta spänning. Detta krav på minimispänning begränsar den mängd energi som kan hämtas från kondensatorn.

Som exempel, är den energi som lagras i kondensatorn E = ½CV². Baserat på detta förhållande kan man beräkna att ungefär 75 % av den tillgängliga energin är tillgänglig om systemet drivs med hälften av kondensatorns nominella spänning (t.ex. från 2,7 till 1,35 V).

Konstruktionsutmaningar vid användning av flera superkondensatorer

Superkondensatorernas fördelar gör dem lämpliga för att tillhandahålla reservkraft till ett stort antal elektroniska produkter, men konstruktören måste vara uppmärksam på de konstruktionsutmaningar som detta medför. Att installera en reservkraftskrets för strömförsörjning kan vara ett stort åtagande för en oerfaren ingenjör. Den största komplicerande faktorn är att kommersiella superkondensatorer är dimensionerade för cirka 2,7 V, så för att leverera en typisk spänningsmatning på 5 V måste två superkondensatorer användas i serie (figur 4).

Figur 4: Kommersiella superkondensatorer är dimensionerade för ca 2,7 V, så för att leverera en typisk spänningsmatning på 5 V måste två superkondensatorer användas i serie, vilket komplicerar konstruktionsprocessen. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Även om detta är en tillfredsställande lösning, medför den ytterligare kostnader och komplexitet på grund av behovet av aktiv eller passiv cellbalansering. På grund av kapacitetstoleranser, olika läckströmmar och olika effektiva seriemotstånd kan spänningen över två eller flera nominellt identiska och fulladdade kondensatorer vara olika. Denna obalans i spänningarna resulterar i att en superkondensator i en reservkrets levererar en högre spänning än den andra. När temperaturen ökar och/eller superkondensatorerna åldras kan denna obalans i spänningarna öka till den grad att spänningen över en superkondensator överskrider enhetens nominella tröskelvärde och påverkar livslängden.

Cellbalansering i tillämpningar med låg belastningscykel uppnås vanligtvis genom att placera en förbikopplingsresistor parallellt med varje cell. Värdet på resistorn väljs så att det tillåter att allt strömflöde övervinner den totala läckströmmen i superkondensatorn. Denna teknik säkerställer på ett effektivt sätt att alla variationer i den ekvivalenta parallella resistansen mellan superkondensatorerna är försumbara. Om t.ex. superkondensatorerna i reservkretsen har en genomsnittlig läckström på 10 μA kommer en resistans på 1 % att tillåta en förbikopplingsström på 100 μA, vilket ökar den genomsnittliga läckströmmen till 110 μA. På så sätt minskar resistansen variationen i läckströmmen mellan superkondensatorerna från tiotals procent till bara några få procent på ett effektivt sätt.

När alla parallella resistanser är ganska väl matchade kommer superkondensatorer med högre spänningar att laddas ur genom sitt parallella motstånd i högre takt än superkondensatorer med lägre spänning. Detta fördelar den totala spänningen jämnt över hela uppsättningen av superkondensatorer. För tillämpningar med hög belastning krävs mer sofistikerad balansering av superkondensatorerna.

Användning av en superkondensator för en 5 V-strömförsörjning

Reservkraftskretsen för strömförsörjning kan bli mindre komplicerad och ta upp mindre plats om en enda superkondensator används i stället för två eller flera. En sådan lösning eliminerar behovet av balansering av superkondensatorerna. Men, utspänningen på 2,7 V från en enhet måste dock ökas med hjälp av en boost-spänningsregulator, som skapar en tillräcklig spänning för att övervinna spänningsfallet över en diod och tillhandahålla 5 V till systemet. Superkondensatorn laddas av en laddningsenhet och laddas ur genom boost-omvandlaren vid behov. Dioder gör det möjligt för antingen den primära kraftkällan eller superkondensatorn att driva systemet (figur 5).

Figur 5: Genom att använda en superkondensator i en reservkraftskrets elimineras behovet av cellbalansering, men det krävs en step-up-regulator för att öka superkondensatorns utspänning. (Bildkälla: Maxim Integrated)

En mer elegant lösning är att använda en kondensator i kombination med en specialiserad spänningsomvandlare, som exempelvis Maxim Integrateds reversibla buck-boost-spänningsregulator MAX38888 eller MAX38889. Den förstnämnda har en utgång på 2,5 till 5 V och upp till 2,5 A, medan den sistnämnda har en utgång på 2,5 till 5,5 V och 3 A (figur 6).

Figur 6: När de reversibla regulatorerna MAX38889 (eller MAX38888) används i en reservkraftskrets med superkondensatorer för strömförsörjning eliminerar de behovet av separata laddningsenheter, boost-enheter och dioder. (Bildkälla: Maxim Integrated)

MAX38889 är en flexibel reservkraftsregulator för lagringskondensatorer eller kondensatorbanker för effektiv överföring av ström mellan superkondensatorerna och ett systems matningsspänning. När huvudströmförsörjningen är närvarande och dess spänning ligger över det lägsta gränsvärdet för systemets strömförsörjning fungerar regulatorn i laddningsläge och laddar superkondensatorn med en maximal toppström på 3 A och en genomsnittlig induktionsström på 1,5 A. Superkondensatorn måste vara fulladdad för att kunna användas som reservkraft. När superkondensatorn är laddad drar kretsen endast 4 μA ström samtidigt som den underhållsladdar komponenten så att den är redo.

När huvudströmförsörjningen försvinner förhindrar regulatorn att systemet sjunker under den inställda reservdriftsspänningen genom att öka superkondensatorns spänning till den systemspänning som krävs vid en programmerad toppinduktorström, på upp till maximalt 3 A. Den reversibla regulatorn kan arbeta med en superkondensatorspänning på bara 0,5 volt, vilket maximerar användningen av den lagrade energin.

Hur länge reservkraften räcker beror på superkondensatorns energireserv och systemets effektuttag. Funktionerna i produkterna från Maxim Integrated gör det möjligt att ta ut maximal reservkraft från en enda superkondensator på 2,7 V, samtidigt som antalet komponenter i kretsen minskas genom att man slipper separata laddnings- och boost-enheter samt dioder.

Sammanfattning

Superkondensatorer har flera fördelar jämfört med sekundära batterier för reservkraft i särskilda tillämpningar, som t.ex. tillämpningar som kräver frekventa batteribyten. Jämfört med uppladdningsbara batterier laddas superkondensatorer snabbare, kan laddas upp/ur många fler gånger och har en mycket högre effekttäthet. Men, dess utspänning på maximalt 2,7 V innebär dock vissa konstruktionsutmaningar när de vill ordna reservkraft för en typisk strömförsörjning på 5 V.

Som visat, är reversibla step-down/step-up spänningsregulatorer en elegant lösning genom att en enda superkondensator kan användas som reservkraft för en 5 V-matning samtidigt som utrymmesbehovet och antalet nödvändiga komponenter minimeras.