Сегодня бесперебойное питание становится обычным явлением и используется в широком спектре электронных устройств в промышленных, коммерческих и бытовых применениях. Хотя существует несколько способов достижения этой функциональности, суперконденсатор (ионистор) в настоящее время предлагает наиболее компактное и энергоэффективное решение для хранения энергии, обеспечивающее непрерывность питания при отключении электричества или при замене батарей.

Суперконденсатор — это компонент, который требует особого внимания при проектировании, поскольку их максимальное рабочее напряжение составляет всего 2,7 вольта. Для большинства схем это означает, что для питания устройства типичным напряжением 5 В необходимо использовать несколько из этих элементов последовательно с балансировщиком заряда или преобразователями постоянного тока, которые увеличивают или уменьшают напряжение в зависимости от конфигурации. В результате получается сложная электронная схема, относительно дорогая в реализации и занимающая место на плате.

Так давайте сравним свойства аккумуляторов и суперконденсаторов, и изучим преимущества их в низковольтных схемах. А заодно спроектируем простой 5 В блок питания с одним конденсатором, подключенным к повышающе-понижающему преобразователю.

Батареи против суперконденсаторов

Гарантированное электропитание стало важным элементом обеспечения удовлетворенности пользователей современными электронными устройствами. Помимо комфорта есть также возможность потери важных данных или настроек и рабочих файлов не только в компьютерах, но и в медтехнике и имплантах, которые могут потерять сохраненные в памяти показания при замене батареи.

Одним из способов обеспечения бесперебойного питания выступает использование дополнительной батареи (аккумулятора), поддерживающей питание при отсутствии основного источника. Обычно тут работают литий-ионные элементы, которые обеспечивают очень высокую плотность энергии, благодаря чему даже относительно небольшие изделия могут обеспечивать резервное питание в течение длительного периода времени.

Тем не менее, независимо от типа химсостава, все батареи могут быть проблемой при неких обстоятельствах. Они тяжелые, долго перезаряжаются, что может доставлять неудобства в случае частых отключений электроэнергии, аккумуляторы можно перезаряжать только ограниченное количество раз, а материалы из которых изготовлены аккумуляторы, могут представлять опасность для безопасности и окружающей среды.

Альтернативным решением для резервного питания является использование ионистора. Этот компонент также называют ультраконденсатором или двухслойным конденсатором (EDLC). Он состоит из двух симметричных электрохимически стабильных угольных электродов (положительного и отрицательного), которые разделены изолирующим ионопроницаемым сепаратором, помещенным в контейнер заполненный органическим солевым электролитом в растворителе. Электролит максимизирует ионную проводимость и смачивание электродов. Использование электродов из активированного угля большой площади позволяет добиться очень низкого разделения зарядов на изолирующем слое и значительно увеличить емкость суперконденсатора по сравнению с обычными элементами.

Электрический заряд накапливается электростатически за счет обратимой адсорбции электролита на угольных электродах. Разделение зарядов происходит при поляризации на границе электрод-электролит, образуя 2 слоя (отсюда и альтернативное название – EDLC). Этот механизм является обратимым, что позволяет заряжать и разряжать суперконденсатор сотни тысяч раз. Сравните с 500 циклами АКБ.

Благодаря электростатическому механизму используемому для накопления энергии, характеристики суперконденсаторов более предсказуемы, чем у аккумуляторов, а используемые конструкционные материалы делают эти элементы надежнее и менее чувствительны к температурным изменениям. С точки зрения безопасности суперконденсаторы содержат меньше летучих веществ чем батареи, и их можно полностью разряжать для безопасной транспортировки, не влияя на последующую работу (АКБ всегда должны оставаться заряженными).

Еще одним преимуществом является то, что по сравнению с батареями ионисторы заряжаются намного быстрее — поэтому, если между сбоями мало времени, всегда будет доступно резервное питание. Суперконденсаторы правда нельзя перезаряжать, зато они обеспечивают значительно большее количество циклов заряда-разряда, что снижает эксплуатационные расходы.

Кроме того, они обеспечивают гораздо более высокую удельную мощность (показатель того, сколько энергии может быть сохранено или передано в единицу времени), чем батареи. Это не только обеспечивает быструю зарядку, но и позволяет при необходимости потреблять импульсы высокого тока, что позволяет использовать их в качестве резервного источника питания в большем количестве устройств. Кроме того, суперконденсаторы имеют гораздо более низкое последовательное сопротивление (ESR), чем батареи. Благодаря этому они не перегреваются даже при большой нагрузке. Типичный КПД суперконденсаторов превышает 98% – тоже лучше чем у АКБ.

Основным недостатком суперконденсаторов является их относительно низкая плотность энергии (мера количества энергии, хранящейся в единице объема) по сравнению с батареями. Современные технологии позволяют литий-ионному аккумулятору хранить в 20 раз больше энергии, чем ионистору того же объема. Этот фактор уменьшается с появлением на рынке новых поколений суперконденсаторов и новых материалов, но скорее всего останется существенной разницей на долгие годы вперед. Ну и относительно высокая стоимость по сравнению с литий-ионными аккумуляторами.

Критерии проектирования суперконденсаторов

Если в электронном устройстве в качестве резервного источника питания используется суперконденсатор, разработчику важно иметь возможность выбрать лучший компонент, доступный на рынке.

И одна из первых вещей, которую нужно проверить в техпаспорте, — это влияние температуры на емкость и сопротивление. Хорошей практикой при проектировании является выбор компонента с очень небольшим изменением параметров в диапазоне рабочих температур, чтобы при необходимости подаваемое напряжение было стабильным, а энергия подавалась с высокой эффективностью.

Срок службы суперконденсатора во многом определяется влиянием рабочего напряжения и температуры. Этот элемент редко выходит из строя так что полностью перестает работать. Вместо этого его емкость и внутреннее сопротивление со временем изменяются и постепенно ухудшаются. Снижение общей производительности обычно больше в начале работы, а затем уменьшается.

В устройствах с буферным питанием суперконденсатор поддерживается при рабочем напряжении, близком к максимальному, в течение длительных периодов времени и лишь изредка разряжается. Такой рабочий цикл повлияет на производительность. Например, для ионистора, выдерживаемого при напряжении 2,5 В в течение 88 000 часов (10 лет) при 25°C, может произойти уменьшение емкости на 15 % и увеличение внутреннего сопротивления на 40 %. Такой перепад необходимо учитывать при проектировании долговечного оборудования.

Постоянная времени конденсатора — это время, необходимое для достижения 63% полного заряда или разряда до 37% полного заряда. Для суперконденсатора это занимает около одной секунды, что намного меньше чем для электролитического. По этой причине проектировщик должен обеспечить, чтобы суперконденсатор в схеме резервного электропитания не подвергался воздействию непрерывных пульсаций тока, так как это может привести к его повреждению.

Суперконденсаторы могут работать при напряжениях от 0 В до максимального номинального значения, а эффективное использование доступной энергии достигается при работе во всем диапазоне напряжений. В свою очередь, большинство схем имеют минимальный порог напряжения питания. Это более низкое требование к напряжению ограничивает количество энергии, которое может быть получено от такого конденсатора.

Использование нескольких суперконденсаторов

Несмотря на то, что многие преимущества суперконденсаторов делают их пригодными для резервного питания в самых разных электронных устройствах, разработчик должен учитывать что имеющиеся в продаже компоненты рассчитаны на напряжение около 2,7 В, поэтому для питания типичной 5-вольтовой шины питания используйте минимум два элемента, соединенных последовательно.

Решение показанное на рисунке соответствует требованиям, но требует дополнительных затрат и сложности из-за необходимости активного или пассивного балансирования заряда элементов. Из-за допусков по емкости, разных значений токов утечки и ESR напряжение на двух и более номинально одинаковых и полностью заряженных конденсаторах может быть разным. Этот дисбаланс напряжения приводит к тому, что один суперконденсатор в цепи имеет более высокое напряжение, чем другой. По мере повышения температуры и старения ионисторов этот дисбаланс напряжения может превысить допустимое значение и отрицательно сказаться на сроке службы.

Балансировка банок в устройствах с рабочим циклом буфера обычно достигается путем размещения обходного резистора параллельно каждой ячейке. Сопротивление резистора выбирают таким образом чтобы ток, протекающий через этот элемент, преобладал над общим током утечки суперконденсатора. Этот метод гарантирует, что любое изменение эквивалентного параллельного сопротивления между ионисторами станет незначительным.

Когда все параллельные сопротивления согласованы, суперконденсаторы с более высоким напряжением будут разряжаться через свое обходное сопротивление с большей скоростью, чем конденсаторы с более низким напряжением. Это равномерно распределяет напряжение по батарее, но для приложений с большой нагрузкой требуется более сложная балансировка.

Один суперконденсатор для схем 5 В

Буферный источник питания мог бы быть менее сложным и занимать меньше места на плате, если б можно было использовать один ионистор вместо двух или более. Один элемент не требует балансировки, но чтобы сделать это возможным, напряжение 2,7 В отдельного компонента необходимо увеличить с помощью повышающего преобразователя, чтобы с учетом падения напряжения на диоде можно было подать 5 В. Суперконденсатор также необходимо заряжать с помощью подходящего зарядного устройства. Диоды, показанные на рисунке, позволяют питать девайс либо от основного источника питания, либо от суперконденсатора.

Более элегантным решением является использование одного конденсатора в качестве накопителя энергии в сочетании с повышающе-понижающим преобразователем, таким как MAX38888 или MAX38889. Первый имеет выходное напряжение от 2,5 до 5 В и выдает до 2,5 А, второй обеспечивает выходное напряжение от 2,5 до 5,5 В при токе 3 А. Это двунаправленные схемы, заряжающие конденсатор при наличии базового напряжения.

MAX38889 представляет собой преобразователь, взаимодействующий с накопительным конденсатором или группой таких элементов и осуществляющий передачу энергии от накопителя к шине питания устройства. При наличии основного питания и напряжении выше минимального порогового напряжения питания данный преобразователь работает в режиме заряда ионистора максимальным током 3 А при среднем токе в дросселе 1,5 А. После зарядки потребляет всего 4 мкА тока холостого хода, сохраняя запас энергии в режиме ожидания.

После сбоя основного питания преобразователь предотвращает падение напряжения питания схемы ниже установленного напряжения активации буфера. Он повышает напряжение суперконденсатора до требуемого напряжения питания и позволяет установить максимальный ток дросселя до 3 А. Он может работать с напряжением суперконденсатора всего 0,5 В, максимально увеличивая использование заряда.

Время резервного питания зависит от энергии запасенной в суперконденсаторе и потребляемой мощности. Но благодаря тому что преобразователи MAX38889/MAX38888 работают от 0,5 В, можно использовать практически весь накопленный заряд.