Низкопрофильная система резервного питания на базе суперконденсаторов с функцией ограничения входного тока

№ 3’2016
PDF версия
Суперконденсаторы, или, как их еще называют, ионисторы, либо двухслойные конденсаторы (англ. EDLC — Electric double-layer capacitor), все чаще используются в качестве резервного источника питания. В значительной степени это связано с постоянным повышением их удельной объемной плотности энергии, увеличением емкости и высокой надежностью.

Выходные конденсаторы большой емкости могут расширять возможности источника питания по нагрузке, особенно когда нагрузочная способность такого источника ограничена требованиями протокола (USB или PCMCIA) или собственным высоким сопротивлением. Ограничения по мощности входного источника питания могут усложнить разработку конструкций конечного изделия в целом. Микросхема зарядного устройства для суперконденсаторов LTC3128 упрощает разработку системы резервного питания, добавляя к полному зарядному устройству суперконденсаторов еще и программируемое точное ограничение входного тока. На рис. 1 показано, что для получения законченного зарядного устройства для суперконденсаторов с ограничением входного тока на уровне, не превышающем 3 A, необходимо лишь несколько дополнительных компонентов.

Законченная полная схема заряда суперконденсаторов с ограничением входного тока

Рис. 1. Законченная полная схема заряда суперконденсаторов с ограничением входного тока

Микросхема LTC3128 представляет собой повышающе-понижающее DC/DC зарядное устройство для суперконденсаторов с программируемым точным ограничением входного тока (до 3 А) и активной балансировкой заряда батареи конденсаторов. Она предлагается в миниатюрном 4×5×0,75 мм корпусе типа QFN или в 24‑выводном TSSOP. Рабочая частота переключения преобразователя выбрана равной 1,2 МГц, что наряду с интегрированными в микросхему ключами, обладающими низким сопротивлением канала в открытом состоянии и низким зарядом затвора, обеспечивает эффективное, компактное и низкопрофильное решение для зарядки выходных конденсаторов большой емкости. Высокая точность (±2%) установки программируемого ограничения входного тока позволяет разработчикам ограничить максимальный ток на уровне, который сможет эффективно использовать все возможности входного источника питания.

Контроль напряжения на конденсаторе и встроенная защита в сочетании с интегрированной активной балансировкой заряда предотвращают вероятные рассогласования сборки конденсаторов при их заряде, а также защищают конденсаторы от перенапряжения и компенсируют возможные рассогласования из-за разности их токов утечки. Все это делает микросхему LTC3128 идеальным выбором для создания резервного блока питания или для схемы питания приложений, характеризующихся импульсными нагрузками. Суперконденсаторы, принимая во внимание их длительный срок службы и большое число циклов заряда/разряда (срок службы до 10 лет и 500 000 циклов), а также относительно простые профили зарядки, идеально подходят для решений по организации систем резервного питания.

 

Время заряда суперконденсатора и время удержания питания системы

При проектировании систем резервного питания необходимо учитывать два наиболее важных критерия — это время заряда резервной батареи или, в рассматриваемом случае, суперконденсатора и время удержания заряда, обеспечивающего питание системы. Время заряда определяет то минимальное количество времени, в течение которого система должна находиться в режиме нормальной эксплуатации, прежде чем такой блок питания будет готов выдержать сбой в подаче напряжения, а время удержания определяет, как долго система сможет поддерживать свою работу от резервного источника энергии.

Время заряда определяется сочетанием запрограммированного порога ограничения входного тока, запрограммированного выходного напряжения, эффективности преобразователя (его КПД) и емкости выходного конденсатора. На рис. 2 показано время заряда выходного конденсатора емкостью 1 Ф с запрограммированным входным током 3 A. Эта кривая учитывает значения входного и выходного напряжений — VIN, VOUT и КПД преобразователя. Если выходная емкость будет больше или меньше, чем 1 Ф, то и время заряда станет изменяться пропорционально значению выходной емкости.

Время заряда суперконденсатора от LTC3128 при разных условиях

Рис. 2. Время заряда суперконденсатора от LTC3128 при разных условиях

В конце цикла заряда микросхема LTC3128 начинает снижать свой входной ток и переходит в режим импульсного дозаряда батареи конденсатора. Это сделано для того, чтобы предотвратить возникновение паразитных колебаний на границе процесса заряда, которые могут возникнуть из-за разности собственных эквивалентных последовательных сопротивлений конденсаторов ESR (англ. ESR — equivalent series resistance). На рис. 3 показан пример профиля зарядного тока с циклом дозарядки после того, как конденсатор уже получил практически полный заряд. В настоящее время, как правило, дозаряд осуществляется при достижении уровня в 95% от запрограммированного выходного напряжения, это и есть то напряжение, которое следует использовать для расчета времени заряда суперконденсатора.

Профиль входного тока в режиме заряда

Рис. 3. Профиль входного тока в режиме заряда

На рис. 1 дана схема заряда конденсатора емкостью 100 Ф до напряжения 4,2 В с установленным входным током в 3 А при входном напряжении VIN, равном 3,3 В. На рис. 2 показано, что для зарядки конденсатора емкостью 1 Ф от 0 до 4 В (4 В  0,95×4,2 В) требуется 1,3 с. Поскольку конденсатор в этом примере в сто раз больше, то, чтобы зарядить этот конденсатор емкостью 100 Ф от 0 до 4 В, потребуется примерно 130 с.

Для определения, как долго система сможет функционировать от источника резервного питания, необходимо знать допустимый рабочий диапазон выходного напряжения. Для рассматриваемого приложения рабочий диапазон выходного напряжения составляет от 4,2 до 1 В. При этом запасенная энергия в конденсаторе емкостью 100 Ф может быть определена, как:

W = (1/2)COUT(VINITIAL)2––(1/2)COUT(VFINAL)2 = 1/2(100×4,22)–1/2×100×12 = 832 Дж,

где W — работа в джоулях; COUT — суммарная емкость конденсаторов; VINITIAL — начальное напряжение на COUT; VFINAL — минимально допустимое для системы питания напряжение на конденсаторе COUT.

Если к выходу с напряжением VOUT подключен вторичный повышающий преобразователь, то он действует в качестве нагрузки по постоянному току, потребляющей энергию от суперконденсаторов. На рис. 4 показан пример использования такого вторичного повышающего преобразователя, который использует выходное напряжение VOUT от LTC3128. Спецификация на микросхему LTC3122 показывает, что для выходного напряжения 12 В и нагрузки 100 мА средний КПД преобразователя в диапазоне входных напряжений 1–4,2 В составляет примерно 80%. Таким образом, от конденсатора потребляется мощность по постоянному току, равная 1,5 Вт. Время удержания системы может быть определено по формуле

tBACKUP = WSTORED/PLOAD = 832 Дж/1,5 Вт = 554,66 с,

где tBACKUP — время удержания питания системы; WSTORED — доступная запасенная энергия на выходном конденсаторе; PLOAD — потребляемая мощность вторичного преобразователя под нагрузкой.

Питание повышающего преобразователя LTC3122 от LTC3128

Рис. 4. Питание повышающего преобразователя LTC3122 от LTC3128

 

Балансировка при заряде суперконденсаторов

Для того чтобы с помощью суперконденсаторов обеспечить высокие выходные напряжения, требуется использование двух или более конденсаторных ячеек, соединенных последовательно между собой. Это вызвано тем, что в зависимости от производителя и типа конденсатора максимальное рабочее напряжение одиночного конденсатора, как правило, находится между 2,3 и 2,7 В. Причем срок службы конденсатора сильно зависит от величины приложенного к нему напряжения. Для продления срока службы конденсатора напряжение на нем должно регулироваться таким образом, чтобы оно в любом случае оставалось ниже установленного для него максимально допустимого рабочего напряжения. Поставщики конденсаторов обычно указывают, как уровень напряжения при использовании поставляемых ими суперконденсаторов влияет на их срок службы.

Микросхема LTC3128 имеет встроенный программируемый компаратор максимального напряжения на конденсаторе и эффективную активную схему балансировки при их заряде. Для того чтобы быть уверенным в том, что во время заряда напряжение на конденсаторе не превысило запрограммированного значения, компараторы слежения контролируют напряжение на каждом отдельном конденсаторе. Если запрограммированное максимальное напряжение на конденсаторе достигает заданного уровня на обоих конденсаторах, микросхема LTC3128 (чтобы сбалансировать ячейки) приостанавливает на некоторое время процесс заряда, а затем возобновляет его.

Для того чтобы сбалансировать конденсаторы так, чтобы на них были одинаковые уровни напряжения, система активной балансировки заряда микросхемы LTC3128 использует дроссель, что позволяет микросхеме эффективно перемещать заряд от одного конденсатора к другому. Это крайне важно, поскольку, если во время разряда конденсаторы будут сильно разбалансированы, полярность одной из ячеек может измениться на противоположную, тем самым вызвав повреждение конденсатора. Микросхема LTC3128 будет балансировать конденсаторные ячейки только в том случае, если на одной из ячеек нарушено требование по уровню запрограммированного максимального напряжения конденсатора или если выходное напряжение находится в режиме стабилизации, но конденсаторы вышли из равновесия, хотя требования по максимальному напряжению и не были нарушены.

Активная балансировка заряда исключает высокий ток покоя и непрерывное рассеивание мощности, характерное для схем пассивной балансировки. На рис. 5 приведена схема, выполненная на базе LTC3128, сконфигурированной для работы с выходной емкостью в 100 Ф, запрограммированным выходным напряжением VOUT = 4,2 В и максимальным напряжением на конденсаторах по 2,7 В каждый.

Микросхема LTC3128 в режиме активной балансировки и защитой от превышения максимального напряжения на конденсаторах

Рис. 5. Микросхема LTC3128 в режиме активной балансировки и защитой от превышения максимального напряжения на конденсаторах

 

Применение в режиме двойного питания выходного вторичного преобразователя

В системах резервного питания не всегда приемлемо ждать окончания заряда накопительных конденсаторов, если требуется срочно активировать питаемое устройство. В таком случае более удобный вариант — двойное питание выходного вторичного преобразователя, что дает ему возможность функционировать непосредственно от входного напряжения системы с одновременным зарядом суперконденсаторов. Микросхема LTC3128 позволяет подключить вторичный преобразователь так, чтобы он мог взять ток через ее внутренний датчик тока (резистивного типа). Данное решение позволяет вторичному преобразователю получить необходимый для него ток от источника питания с уровнем до 4 A. При этом микросхема LTC3128 будет заряжать выходные конденсаторы током, равным запрограммированному входному току, уменьшенным на величину, которую будет потреблять сам вторичный преобразователь. До тех пор пока вторичный преобразователь не возьмет на себя ток, больший величины запрограммированного входного тока, микросхема LTC3128 будет ограничивать общее потребление тока от входного источника на уровне его установленного значения, а резервные конденсаторы в это время станут заряжаться оставшимся током, доступным после его запитки от входного источника.

Для продления времени резервирования микросхему LTC3128 можно перевести в отключенное состояние (так называемый shutdown) с потреблением тока от VOUT, не превышающим 1 мкА, или в режим потребления менее 2 мкА, когда уровень входного напряжения будет ниже минимально разрешенного системой защиты от недопустимо пониженного входного напряжения (англ. UVLO — Under Voltage Lock-out; блокировка питания при пониженном напряжении). На рис. 6 на базе совместного использования микросхем LTC3128 и LTC3122 показан описанный выше вариант реализации с двойной цепи питания вторичного преобразователя.

Вариант использования LTC3128 с двойной цепью питания повышающего преобразователя LTC3122

Рис. 6. Вариант использования LTC3128 с двойной цепью питания повышающего преобразователя LTC3122

 

Заключение

Микросхема LTC3128 представляет собой повышающе-понижающее DC/DC зарядное устройство для суперконденсаторов и является превосходным оптимальным решением для систем эффективного заряда и защиты суперконденсаторов в устройствах, критических к уровню надежности и рассчитанных на длительный срок эксплуатации. Микросхема имеет точный в ±2% программированный максимальный уровень входного тока, программируемые компараторы максимального уровня напряжения на конденсаторах и активную систему балансировки заряда.

Для того чтобы сбалансировать конденсаторы так, чтобы на них были одинаковые уровни напряжения, система активной балансировки заряда микросхемы LTC3128 использует дроссель, при балансировке это позволяет микросхеме эффективно перемещать заряд от одного конденсатора к другому. Активная балансировка заряда исключает высокий ток покоя и непрерывное рассеивание мощности, характерное для схем пассивной балансировки.

xosotin chelseathông tin chuyển nhượngcâu lạc bộ bóng đá arsenalbóng đá atalantabundesligacầu thủ haalandUEFAevertonxosofutebol ao vivofutemaxmulticanaisonbetbóng đá world cupbóng đá inter milantin juventusbenzemala ligaclb leicester cityMUman citymessi lionelsalahnapolineymarpsgronaldoserie atottenhamvalenciaAS ROMALeverkusenac milanmbappenapolinewcastleaston villaliverpoolfa cupreal madridpremier leagueAjaxbao bong da247EPLbarcelonabournemouthaff cupasean footballbên lề sân cỏbáo bóng đá mớibóng đá cúp thế giớitin bóng đá ViệtUEFAbáo bóng đá việt namHuyền thoại bóng đágiải ngoại hạng anhSeagametap chi bong da the gioitin bong da lutrận đấu hôm nayviệt nam bóng đátin nong bong daBóng đá nữthể thao 7m24h bóng đábóng đá hôm naythe thao ngoai hang anhtin nhanh bóng đáphòng thay đồ bóng đábóng đá phủikèo nhà cái onbetbóng đá lu 2thông tin phòng thay đồthe thao vuaapp đánh lô đềdudoanxosoxổ số giải đặc biệthôm nay xổ sốkèo đẹp hôm nayketquaxosokq xskqxsmnsoi cầu ba miềnsoi cau thong kesxkt hôm naythế giới xổ sốxổ số 24hxo.soxoso3mienxo so ba mienxoso dac bietxosodientoanxổ số dự đoánvé số chiều xổxoso ket quaxosokienthietxoso kq hôm nayxoso ktxổ số megaxổ số mới nhất hôm nayxoso truc tiepxoso ViệtSX3MIENxs dự đoánxs mien bac hom nayxs miên namxsmientrungxsmn thu 7con số may mắn hôm nayKQXS 3 miền Bắc Trung Nam Nhanhdự đoán xổ số 3 miềndò vé sốdu doan xo so hom nayket qua xo xoket qua xo so.vntrúng thưởng xo sokq xoso trực tiếpket qua xskqxs 247số miền nams0x0 mienbacxosobamien hôm naysố đẹp hôm naysố đẹp trực tuyếnnuôi số đẹpxo so hom quaxoso ketquaxstruc tiep hom nayxổ số kiến thiết trực tiếpxổ số kq hôm nayso xo kq trực tuyenkết quả xổ số miền bắc trực tiếpxo so miền namxổ số miền nam trực tiếptrực tiếp xổ số hôm nayket wa xsKQ XOSOxoso onlinexo so truc tiep hom nayxsttso mien bac trong ngàyKQXS3Msố so mien bacdu doan xo so onlinedu doan cau loxổ số kenokqxs vnKQXOSOKQXS hôm naytrực tiếp kết quả xổ số ba miềncap lo dep nhat hom naysoi cầu chuẩn hôm nayso ket qua xo soXem kết quả xổ số nhanh nhấtSX3MIENXSMB chủ nhậtKQXSMNkết quả mở giải trực tuyếnGiờ vàng chốt số OnlineĐánh Đề Con Gìdò số miền namdò vé số hôm nayso mo so debach thủ lô đẹp nhất hôm naycầu đề hôm naykết quả xổ số kiến thiết toàn quốccau dep 88xsmb rong bach kimket qua xs 2023dự đoán xổ số hàng ngàyBạch thủ đề miền BắcSoi Cầu MB thần tàisoi cau vip 247soi cầu tốtsoi cầu miễn phísoi cau mb vipxsmb hom nayxs vietlottxsmn hôm naycầu lô đẹpthống kê lô kép xổ số miền Bắcquay thử xsmnxổ số thần tàiQuay thử XSMTxổ số chiều nayxo so mien nam hom nayweb đánh lô đề trực tuyến uy tínKQXS hôm nayxsmb ngày hôm nayXSMT chủ nhậtxổ số Power 6/55KQXS A trúng roycao thủ chốt sốbảng xổ số đặc biệtsoi cầu 247 vipsoi cầu wap 666Soi cầu miễn phí 888 VIPSoi Cau Chuan MBđộc thủ desố miền bắcthần tài cho sốKết quả xổ số thần tàiXem trực tiếp xổ sốXIN SỐ THẦN TÀI THỔ ĐỊACầu lô số đẹplô đẹp vip 24hsoi cầu miễn phí 888xổ số kiến thiết chiều nayXSMN thứ 7 hàng tuầnKết quả Xổ số Hồ Chí Minhnhà cái xổ số Việt NamXổ Số Đại PhátXổ số mới nhất Hôm Nayso xo mb hom nayxxmb88quay thu mbXo so Minh ChinhXS Minh Ngọc trực tiếp hôm nayXSMN 88XSTDxs than taixổ số UY TIN NHẤTxs vietlott 88SOI CẦU SIÊU CHUẨNSoiCauVietlô đẹp hôm nay vipket qua so xo hom naykqxsmb 30 ngàydự đoán xổ số 3 miềnSoi cầu 3 càng chuẩn xácbạch thủ lônuoi lo chuanbắt lô chuẩn theo ngàykq xo-solô 3 càngnuôi lô đề siêu vipcầu Lô Xiên XSMBđề về bao nhiêuSoi cầu x3xổ số kiến thiết ngày hôm nayquay thử xsmttruc tiep kết quả sxmntrực tiếp miền bắckết quả xổ số chấm vnbảng xs đặc biệt năm 2023soi cau xsmbxổ số hà nội hôm naysxmtxsmt hôm nayxs truc tiep mbketqua xo so onlinekqxs onlinexo số hôm nayXS3MTin xs hôm nayxsmn thu2XSMN hom nayxổ số miền bắc trực tiếp hôm naySO XOxsmbsxmn hôm nay188betlink188 xo sosoi cầu vip 88lô tô việtsoi lô việtXS247xs ba miềnchốt lô đẹp nhất hôm naychốt số xsmbCHƠI LÔ TÔsoi cau mn hom naychốt lô chuẩndu doan sxmtdự đoán xổ số onlinerồng bạch kim chốt 3 càng miễn phí hôm naythống kê lô gan miền bắcdàn đề lôCầu Kèo Đặc Biệtchốt cầu may mắnkết quả xổ số miền bắc hômSoi cầu vàng 777thẻ bài onlinedu doan mn 888soi cầu miền nam vipsoi cầu mt vipdàn de hôm nay7 cao thủ chốt sốsoi cau mien phi 7777 cao thủ chốt số nức tiếng3 càng miền bắcrồng bạch kim 777dàn de bất bạion newsddxsmn188betw88w88789bettf88sin88suvipsunwintf88five8812betsv88vn88Top 10 nhà cái uy tínsky88iwinlucky88nhacaisin88oxbetm88vn88w88789betiwinf8betrio66rio66lucky88oxbetvn88188bet789betMay-88five88one88sin88bk88xbetoxbetMU88188BETSV88RIO66ONBET88188betM88M88SV88Jun-68Jun-88one88iwinv9betw388OXBETw388w388onbetonbetonbetonbet88onbet88onbet88onbet88onbetonbetonbetonbetqh88mu88Nhà cái uy tínpog79vp777vp777vipbetvipbetuk88uk88typhu88typhu88tk88tk88sm66sm66me88me888live8live8livesm66me88win798livesm66me88win79pog79pog79vp777vp777uk88uk88tk88tk88luck8luck8kingbet86kingbet86k188k188hr99hr99123b8xbetvnvipbetsv66zbettaisunwin-vntyphu88vn138vwinvwinvi68ee881xbetrio66zbetvn138i9betvipfi88clubcf68onbet88ee88typhu88onbetonbetkhuyenmai12bet-moblie12betmoblietaimienphi247vi68clupcf68clupvipbeti9betqh88onb123onbefsoi cầunổ hũbắn cáđá gàđá gàgame bàicasinosoi cầuxóc đĩagame bàigiải mã giấc mơbầu cuaslot gamecasinonổ hủdàn đềBắn cácasinodàn đềnổ hũtài xỉuslot gamecasinobắn cáđá gàgame bàithể thaogame bàisoi cầukqsssoi cầucờ tướngbắn cágame bàixóc đĩaAG百家乐AG百家乐AG真人AG真人爱游戏华体会华体会im体育kok体育开云体育开云体育开云体育乐鱼体育乐鱼体育欧宝体育ob体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育开云体育开云体育棋牌棋牌沙巴体育买球平台新葡京娱乐开云体育mu88qh88

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *