這個不用電池的備用電源方案,想試試嗎?

关键字 :備用電源
近幾年來所採用的用於增加電子系統的性能、可用​​性和移動性,同時降低比能耗的方案,提供了新的供電選擇。使用電池的系統或稱無線系統變得日益重要,同時伴隨能量密度增加,在一定程度上減少了高峰負荷期間的電能消耗。利用替代能源( 如太陽能或風能 )的供電解決方案和集成能量回收( 能量收集 )功能的系統,都發揮著日益重要的作用。

最小的環境傳感器、商品識別系統( RFID、BLE 信標 )、網絡系統、無線接入點和傳感器、以及工業自動化中的裝置和網絡都有電力 “ 自給自足”的需要。基本上所有實時系統( RTC )都有一個小電池,以保證系統在所有時間的可用性。我們的聯網世界需要係統提供持續可用性、靈活性和易接入性( accessibility ),因而需要持久的電能供應,也可能獨立於電網,例如使用電池。

家庭自動化系統、門禁系統、智能能量管理系統( 智能家居)、通信系統、數據存儲( 雲)、工業機器人等等都是按照其在電能供應受限制、中斷甚至停止情況下的可靠性來評級的。充電電池在達到其使用壽命終點且必須更換之前,是一種實用和可靠的解決方案。用過的廢電池會影響以上低能耗解決方案的環保作用,並隨著採用電池的系統的使用而增加。此外還需要一些電子電路來為電池充電、控制放電以及防止系統完全放電。

因此,近來有人開始研究更環保和成本相當的替代方案。元件生產商常常使用大量開發資源( 其中大多仍然被忽視並且也不引人注意 ),以更為粗放的方式設計電池,以及改善電池管理系統並為其配備高級智能功能來進行調節及動態控制。

具有低雜散電流的典型固態電解電容為額定功率低於 100mW 的情況提供了一種替代方案。但如果需要輸出功率在較長時間(超過 10 秒)內超過 100mW ,則典型電容很快就會達到其極限。 100mW 是充電電池典型輸出功率範圍的起始值。這些電池常常具有超大尺寸,以降低放電程度( DoD )。出於實用考慮,電子設備充電是在非常和緩的情況下進行,以避免過度充電和保證規定的放電週期,以便使電池的使用壽命適應最終設備的使用壽命。

作為替代方案,近來出現了所謂的超級電容,亦稱 EDLC(雙電層電容)。由於製造過程已經工業化和單位容值成本下降,這一趨勢將會增加。這一電容類型(其工作基於亥姆霍茲原理)最接近典型電容的工作原理,並具有其所有優點,如高比功率密度、長使用壽命和高循環數目。首先,它以極高容量( C >10F )和低 ESR(



由於外殼大小相當的超級電容的容值輕易就能達到典型電容容值的 100 倍,因此可在一定程度上彌補電壓較低的劣勢。實際上,理論可用電壓的範圍可能為 0V - 2.7V,因而大多數情況下電容中的能量只得到部分使用。低值放電電壓常常設置得高於實際適用值 0.5V( 大多為 1.0V - 1.8V )。另外,開關和整流器損耗尚未完全考慮在內。更高水平的比能( 例如在電池情況下 )會更好。

結合典型電池( 儲存電化學能 )性質與雙層電容( 儲存靜電能 )性質的混合型 – ENYCAPTM – 系統似乎代表一種良好的折衷方案。陽極與陰極相對於典型雙層電容的儲能能力,以及電解質的導電率在這些系統中有巨大改善。表1列出了主要特性的對比。


 
表 (1):系統的基本比較

ENYCAP 196HVC 電容實體單元( cell )的標稱最大電壓為 1.4V,並可在無需特殊均衡電路的情況下進行串聯,從而達到更高的標稱電壓。目前,用 196HVC 系列電容可獲得 8.4V 電壓和 90F 容值。與增加標稱電壓有關的要求也得到滿足:



由於其低結構高度( < 2.5mm )和方便的組合選擇,這些單元能夠很好地適應現有結構空間(常常非常狹窄)——例如在工業用嵌入式計算機、電能表、平板電腦,安防系統,以及用於記錄事故的攝像頭應用中——並且有時位於PCB水平面之外的“第三”維度。圖1顯示了一些結構形態變化實例。



混合系統能達到 >13Ws/g ( >3.6Wh/kg)的極高能量密度,並因此可作為典型電池的替代方案。另外,這些儲能電容具有極低雜散電流和自放電的特徵。

圖2 顯示了三種方案的勢力均衡,並顯示了按照目前的最先進技術,儲能電容( ENYCAP )具有的最合適分類。



如以上示例所暗示的那樣,必須按照應用對特定參數進行調整,以便為相應的後備解決方案選擇合適的元件:

  1. 後備能源和時間間隔。在此方面,極深放電之間的時間,以及尤其是直至首次使用後備電源的時間特別關鍵。

  2. 具體峰值功率和峰值電流要求。

  3. 後備解決方案的輸出電壓水平。尤其必須考慮最小電壓水平。

  4. 用於提供儲存電能的輸入電壓範圍。尤其是這裡必須觀測最大範圍。

  5. 初級能源的阻抗。尤其是對具有低ESR的系統,可能出現極高充電電流尖峰。

  6. 防止完全放電、短路、極性反轉、過壓和過溫。

  7. 儲能器件的充電狀態控制和用於先進電源管理系統的數據總線信號。

  8. 整個系統的成本。


以上參數只是一部分最重要的設計參數。為說明復雜性,以下原理圖解顯示了充電電流、放電電流和電壓曲線隨時間變化的基本示意圖。從圖中可以清楚地看出混合型儲能與典型超級電容的行為差異。




上面的圖解說明了元件的複雜性。

從電壓曲線可觀察到雙層電容的良好充電行為和適用情況下的快速充電行為。這裡可觀察到必須採取預防措施來防止由於低 ESR 而產生的極端充電電流高峰。另外,對於持續的後備電源,放電電壓的線性下降會導致放電電流的不成比例增加和 DC/DC 轉換器的持續反向調節( back-regulation ),以及高電流峰值。在有些情況下,還必須考慮電容上的較高紋波電流。

混合型雙層電容的特點是其更緩和的充電行為,這是由於其具有較高的等效串聯電阻和最優化的結構。電容的標稱電壓在非常早的階段就已達到,從而支持喚醒切換的簡單操作和低功率傳感器應用。另外,工作範圍內幾乎恆定的電壓曲線和由此產生的恆定放電電流也是優勢所在。相對於雙層電容,控制電子當然可以簡化。但相對較高的初始壓降是個缺點。

為了不讓這些系統的差異讓用戶在選擇上過於困難,向客戶提供綜合解決方案和集成了基本功能(如充電和放電[圖5 ] 以及所需保護電路)的參考設計變得越來越重要。



如果條件允許,儲能元件和充電控制器的生產商必須提前合作,以便使具體條件適應系統。

有一個示例是將應急電流解決方案與充電控制器電路和後備轉換器集成在一起的參考設計,其中包括必要的電流測量傳感器,用於評估充電功能和所有保護功能。另外,該系統可使用 ENYCAP 、雙層電容、典型電容和電池,並實現了主電源 + 充電功能與後備能源之間的自動切換。為此,充電電壓( 1.3V -3.2V )、充電電流( 35mA-600mA )、放電電壓( >1V )和放電電流限制(100mA -5A)可在多個範圍內變動,並可輕鬆調整,以適應客戶的情況。充電過程可使用恆流或恆壓調節器。

規定的降壓轉換器轉變為針對負載的程序化供電電壓,並為後備儲能器件充電。在供電電壓中斷時,升壓轉換器( 也是集成的 )可維持負載上的輸出電壓而不會出現任何中斷,直至次級能源耗盡。除此以外,如果1V左右的最小電容電壓被下切( undercut ),則輸出側上的簡單負載開關會關斷負載。這可避免完全放電和已連接調節器的持續線性工作。

LTC3355 IC 可執行系統中要求的所有功能,例如在用於服務器或 IPC 的智能電源管理系統中。監測電壓 VIN、VOUT 和 VCAP ,有關能源負荷狀態( CPGOOD )的基本信息( 開漏信號輸出 )和電源自動切換到後備儲能器件( PFOB ),以及負載調節等功能均有提供。穩壓器可處理 4.0V - 20V 輸入電壓和提供 3.0V - 5.0V 的穩定輸出電壓。該元件集成了過熱保護功能,另外可用於監測最大允許電流。



ENYCAP 儲能電容具有比電池更高的功率密度和比典型雙層電容( EDLC )更高的能量密度。因此,其充電和放電速度有可能比電池更快。我們建議對後備系統等應用採用脈衝充電方式。該建議的思路是,首先給 ENYCAP 充電,使其達到儲能能力的最大值,然後通過單個電脈衝使充電狀態維持在涓流充電模式。這可對自放電進行補償並使電容處於理想工作條件之下。如果充電持續進行且只在電源中斷時被關斷,則產品的使用壽命會顯著縮短。最大充電電壓應當設置為比規定標稱電壓(額定電壓)高 2%-3%。這可補償產品內置電阻上的壓降。單元電壓始終低於充電電壓。儲能電容達到滿標稱電壓非常重要。但不應當使用更高的電壓。必須考慮到充電電流與充電時間之積等於最大電量。只有這樣才能達到最大效率和潛在的最高儲能量。

ENYCAP 196 HVC 系列電容的規定正常貯存溫度為 -40°C 至 +85°C 。但在貯存一年後,應當對產品加電和充電。這些產品的自放電水平低。滿充電容的持久充電電流必須限製到低於 ≤ 20 µA,否則產品會提早老化。如果電流較高,則必須確保 ENYCAP 196 HVC 與電路斷開。另外還必須避免完全自放電。放電時,電壓在 1V - 1.4V 範圍內的單元,其大部分電能會消除。單元電壓低於 1V 會導致深度放電。因此,低放電電流可能已經對產品的性質產生負面影響。

其他元件的選擇非常慎重,為的是確保低 DC 電路損耗、低溫度係數以及高效率電感,以便盡可能充分利用可用能量。另外還實施了帶有 TVS 二極管的輸入保護電路,以避免完整電路的過壓事件。

在最佳充電、放電和周圍環境條件下,ENYCAP 系列混合儲能電容能夠實現非常長的使用壽命和循環穩定性。

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