Аккумуляторные батареи практичны и надежны для использования в электронных системах, которые обеспечивают постоянную доступность. Классические твердоэлектролитные конденсаторы представляют собой более экологичную и экономически нейтральную альтернативу, но вскоре достигают своего предела, когда требования к мощности превышают 100 МВт. С другой стороны, двухслойные конденсаторы Supercap обеспечивают высокую плотность мощности и длительный срок службы, но низкую диэлектрическую прочность. Существует необходимость в электронных системах для достижения компромисса между этими технологиями. Необходимо решение, которое сочетает в себе преимущества классических батарей и двухслойных конденсаторов без ограничений. Ниже приведена таблица, в которой представлено базовое сравнение двухслойного конденсатора, типичной батареи и гибридного конденсатора ENYCAP.

Устройства ENYCAP 196HVC способны достигать более высокого номинального напряжения, максимальное из которых составляет 1,4 В, а также могут быть соединены последовательно без специальных мер балансировки. В настоящее время может быть получено значение напряжения 8,4 В и значения емкости от 4 F до 90 F.

Гибридные системы можно считать практичной альтернативой классическим батареям из-за их способности достигать очень высокой плотности энергии >13 Вт/г (>3,6 Втч/кг). Кроме того, гибридные системы также отличаются очень низким блуждающим током и саморазрядом.

На рисунке 2 ниже показан баланс мощности для конденсаторов, батарей и гибридных конденсаторов. Оптимальная классификация накопительных конденсаторов ENYCAP в соответствии с современными технологиями четко проиллюстрирована на диаграмме.

Как уже подразумевалось в приведенных выше примерах, для выбора правильного компонента необходимо настроить определенные параметры для соответствующего приложения:

• Резервная энергия и временной интервал. Здесь периоды между очень глубокой разгрузкой и, в частности, время до первого подъема особенно важны.
• Конкретные требования к пиковой мощности и пиковому току.
• Уровень выходного напряжения для резервного решения; в частности, минимальный уровень напряжения.
• Диапазон входного напряжения, доступный для загрузки накопителя энергии; в частности, максимальный диапазон.
• Импеданс первичного источника энергии. Для систем с низким ESR могут возникать чрезвычайно высокие скачки тока заряда.
• Защита от полной разрядки, короткого замыкания, обратной полярности, перенапряжения и превышения температуры.
• Контроль состояния зарядки накопителя энергии и сигналов с поддержкой шины данных для передовых систем управления питанием.
• Стоимость всей системы.
• Приведенные выше параметры — это лишь подборка наиболее важных параметров конструкции. Чтобы прояснить сложность, следующие иллюстрации (см. фиг. 3 и 4) принципа будут показаны основные диаграммы тока зарядки, тока разряда и кривой напряжения с течением времени. Отчетливо видна разница в поведении между гибридным накопителем энергии и классическими суперконденсаторами.

Двухслойный конденсатор в качестве резервного источника.

ENYCAP в качестве резервного источника.

Поведение двухслойных конденсаторов при быстрой зарядке можно наблюдать на графике напряжения. Это можно рассматривать как предупреждение о том, что необходимо принять определенные меры предосторожности против возможных экстремальных пиков заряда по току из-за низкого ESR.

Гибридные двухслойные конденсаторы, с другой стороны, характеризуются более щадящим режимом зарядки благодаря более высокому последовательному сопротивлению и оптимизированной конструкции. . На раннем этапе достигается номинальное напряжение на конденсаторе. Это обеспечивает более простую работу при переключении режима пробуждения и применении датчиков с низким энергопотреблением. Управляющая электроника, безусловно, может быть упрощена в отличие от двухслойных конденсаторов. Недостатком является относительно высокое начальное падение напряжения.

Блок-схема зарядки и резервного копирования с использованием LTC3355.

Выше приведена эталонная конструкция понижающего преобразователя, использующего LTC3355 линейной технологии. Описанная выше система объединяет аварийное решение по току со схемой контроллера заряда и резервным преобразователем, включая необходимые датчики измерения тока для оценки функции, а также всех защитных функций. ENYCAP, двухслойные конденсаторы, классические конденсаторы и батареи также могут использоваться для управления этой системой для реализации автоматического переключения.

Показанная система способна преобразовываться в запрограммированное напряжение питания для нагрузки и заряжать устройство резервного накопления энергии. В случае прерывания подачи напряжения встроенный повышающий преобразователь в системе поддерживает выходное напряжение на нагрузке без каких-либо перерывов до тех пор, пока не будет исчерпан вторичный источник энергии. Более того, если напряжение на конденсаторе около 1 В ниже минимального, переключатель нагрузки на выходной стороне отключает нагрузку, тем самым избегая полной разрядки и постоянной линейной работы подключенных регуляторов.

LTC3355 выполняет все функции, необходимые в рамках интеллектуальной системы управления питанием сервера или IPC. Он отслеживает напряжения VIN, VOUT и VCAP. Он также контролирует состояние производительности источника энергии (CPGOOD), автоматическое переключение питания на резервное накопительное устройство энергии (PFOB), а также регулирование нагрузки системы.

Набор для оценки дизайна (MAL219699001E3).

Конденсаторы серии ENYCAP 196 HVC рассчитаны на нормальные условия хранения от -40° до +85°C. Однако после одного года хранения детали следует включить и зарядить. Саморазряд низкий. Постоянное напряжение заряда полностью заряженного конденсатора должно быть ограничено ≤20 мкА; в противном случае изделие преждевременно состарится. Если протекает более высокий ток, необходимо убедиться, что ENYCAP 196 HVC отключен от цепи. Также следует избегать полного саморазряда. Большая часть энергии может быть удалена из одного элемента в диапазоне от 1 В до 1,4 В. Напряжение элемента ниже 1 В приводит к глубокому разряду. В результате низкие разрядные токи уже могут оказывать негативное влияние на свойства продукта.

При выборе других компонентов большое внимание уделялось обеспечению низких потерь в цепи постоянного тока, низкого температурного коэффициента и высокоэффективной индуктивности, чтобы сделать доступную энергию максимально полезной. Кроме того, была реализована схема защиты входного сигнала с диодами TVS, чтобы избежать случаев перенапряжения всей цепи.