Annons

Avbrottsfri kraft med superkondensatorer

Temporära strömavbrott kan överbryggas med en superkondensator. En en ny krets från Linear Technology kan ge upp till 10 A under storleksordningen 15 sekunder om kraftmatningen faller ifrån och på så sätt rädda funktionen i exempelvis halvledardiskar (SSD), serverhallar, i medicinsk eller industriell utrustning.

Dagligen går många datorsystem ned beroende på korta avbrott av nätspänningen. I många fall är avbrotten ytterst korta. För en vanlig PC-användare innebär avbrotten sällan katastrof, men det finns sammanhang där kraftförsörjningen måste kunna garanteras för att inte skapa skapa databortfall eller farliga situationer, som exempelvis för medicinskt utnyttjad utrustning.
En lösning är förstås att använda traditionell, avbrottsfri kraft, UPS. Men det innebär stora klumpiga lösningar som är avsedda att ge kraft under långa strömavbrott, ofta baserade på blybatterier.
Superkondensatorn kan ge reservkraft under relativt korta avbrott. Men de kräver en kretslösning som dels kopplar om utan att ge förluster och störningar, dels kan kompensera för att superkondensatorns spänning laddas ur linjärt.
Hittills har konstruktören tvingats kombinera olika kretsar för att skapa avbrottsfri kraft med hjälp av superkondensatorer. Nu har Linear Technology skapat en integrerad lösning i kretsen LTC3350.
Den kan nyttja fyra superkondensatorer i serie, i princip laddade med upp till 5 V spänning var. I praktiken använder man lägre spänningar. Hög spänning och hög temperatur förkortar nämligen snabbt livslängden på en superkondensator drastiskt. Det visar den här kurvan:

Livstid som funktion av temperatur vid olika spänningar.

Schemat nedan visar LTC3350 i en applikation:

 Här visas normalläget för en lösning med 12 V in och 12 V ut.

När kraftmatningen på insidan fungerar leder MOS-transistorn, överst till vänster. En diod är utritad (skyddsfunktion), men den har normalt minst 0,7 V framspänningsfall och är i det här fallet är den kortsluten av den ledande MOSFETen som med sin låga RDSON ger lägre spänningsfall.
Om lägre utspänning än inspänning väljs, t ex 12 V in och 5 V ut, utesluts dioden och MOSFETen ingår i  en ”buck”-omvandlare.

Till höger, nederst i schemat ser vi en trave av fyra superkondensatorer.

När inspänningen faller ifrån  leder en MOSFET, överst till höger i schemat. Superkondensatorerna laddas ur successivt, vilket i illustrationen nedan visas med VCAP.

Så vill vi kanske inte ha det! LTC3350 räddar dock situationen genom att kretsen även innehåller en inbyggd, synkron ”boost”-omvandlare som höjer spänningen från de seriekopplade superkondensatorerna. Utspänningen bestäms av en spänningsdelare. Under denna ser vi de två transistorer som tillsammans med en induktans bildar ”boost”-omvandlaren.

I det här fallet är utspänningen 5 V.

I LTC3350 finns också en 14 bit A/D-omvandlare som kontinuerligt övervakar in- och utspänningar samt ström. Detta interna mätsystem övervakar också de parametrar som är förknippade med superkondensatorerna. Systemet mäter spänningen individuellt över kondensatorerna och balanseringskretsar ser till att spänningen fördelas jämt över de seriekopplade kondensatorerna. Det mäter också kondensatorernas ekvivalenta serieresistans (ESR). Såväl ESR som kapacitansvärde minskar med tiden och utgör mått på hur mycket av kondensatorns livstid som är förbrukad.
Monitoringen och laddningsutjämningen gör att livslängden kan ökas för superkondensatorerna.
Alla systemparametrar och felstatus kan monitoreras över ett 2-trådsgränssnitt enligt I2C.  Alarm kan ställas in för att reagera med anledning av förändringar i plösliga parameterändringar.
LTC3350 är kapslad i 38-anslutningars QFN, i formatet 5×7 mm.

Comments are closed.