Jede mögliche Störung einer Stromversorgung, in den Bereichen von Millisekunden, Sekunden und Minuten, muss man während der Entwicklung eines elektronischen Systems berücksichtigen. Die übliche Lösung sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), um Ausfälle zu überbrücken und damit den kontinuierlichen Betrieb des Systems sicherzustellen. Ähnlich werden heutige Notfall- und Reservesysteme in der Gebäudetechnik eingesetzt, um sicher zu sein, dass Sicherheitssysteme und wichtige Geräte auch während eines Stromausfalls funktionieren – was immer auch der Grund der Störung ist.
Es gibt immer Fehlbedienungen
Ein weiteres Beispiel für unterbruchsfreien Betrieb findet man in den portablen Elektronikgeräten, die wir in unserem täglichen Leben verwenden. Diese Handheldgeräte sind sorgfältig konstruiert und mit leichten Energiequellen ausgestattet, die für einen zuverlässigen Betrieb unter normalen Bedingungen sorgen. Aber: Keine noch so sorgfältige Entwicklung kann eine Fehlbedienung durch den Bediener verhindern. Was passiert, wenn ein Fabrikarbeiter einen Barcodescanner fallen lässt, und dabei die Batterie herausspringt? Wichtige Daten in einem flüchtigen Speicher wären ohne ein gewisses Sicherheitsnetz verloren. Ein System, das kurzfristig die Stromversorgung aufrechterhält und auch die Reserveleistung zur Verfügung stellt, bis die Batterie ersetzt ist oder die Daten in einen nichtflüchtigen Speicher geschrieben werden können, leistet wertvolle Dienste.
Verschiedene Beispiele zeigen die Notwendigkeit für eine alternative Form der Stromversorgung für den Fall, dass die primäre Stromversorgung gestört ist. In anderen Worten: Ein «Plan B» ist notwendig, für den Fall, dass die Hauptstromversorgung nicht mehr da ist – aus welchem Grund auch immer.
Kondensatoren sind in den letzten Jahren viel leistungsfähiger geworden
Hat man die Notwendigkeit einer Reservestromversorgung für ein vorhandenes System erkannt, stellt sich die Frage, welches Speichermedium man für diese Stromversorgung einsetzen kann. Bisher standen nur Kondensatoren und Batterien zur Wahl. Dazu muss man sagen, dass die Kondensatortechnik für mehrere Dekaden eine Hauptrolle in der Leistungsübertragung und -lieferung gespielt hat. Das traditionelle dünnfilm- und ölbasierte Kondensatordesign führte unterschiedlichste Funktionen aus, etwa die Leistungsfaktorkorrektur und den Spannungsausgleich.
In den letzten zehn Jahren gab es signifikante Fortschritte beim Design und den Fähigkeiten von Kondensatoren. Superkondensatoren (auch Ultrakondensatoren) etwa sind ideal für die Batterieenergiespeicherung und für Reservestromversorgungen. Sie mögen bezüglich ihrer gesamten Energiespeicherung eingeschränkt sein, nichtsdestotrotz sind sie energiereich. Darüber hinaus haben sie die Fähigkeit, hohe Energiepegel schnell zu entladen und rasch wieder aufzuladen.
Superkondensatoren sind kompakt, robust und zuverlässig und können die Anforderungen eines Reservestromversorgungssystems bei kurzfristig auftretenden Leistungsverlusten erfüllen. Man schaltet sie parallel oder in Reihe, oder nutzt eine Kombination aus beidem, um die Spannung und den Strom für die Endanwendung zu liefern. Verglichen mit Keramik-, Tantal- oder Elektrolytkondensatoren bieten Superkondensatoren eine höhere Energiedichte und höhere Kapazität bei ähnlichem Format und Gewicht.
Langes Kondensatorleben dank gemässigter Spannung und Temperatur
Obwohl Superkondensatoren einiges an «Pflege» benötigen, erweitern oder ersetzen sie Batterien in Datenspeicherapplikationen, die hohe kurzfristige Ströme brauchen. Darüber hinaus eignen sie sich für Anwendungen mit hoher Spitzenleistung und in portablen Applikationen, die hohe Stromstösse oder kurzzeitiges Batterie-Backup verlangen. Verglichen mit Batterien bieten Superkondensatoren höhere Spitzenleistung in kleineren Formfaktoren und haben über grössere Temperaturbereiche ein längeres Ladezyklusleben. Die Lebensdauer von Superkondensatoren kann man durch Reduktion der Top-Off-Spannung auf max. 50 °C optimieren.
Batterien andererseits speichern grosse Energiemengen, sind aber bezüglich Leistungsdichte und -bereitstellung eingeschränkt. Wegen der chemischen Reaktionen sind auch ihre Ladezyklen begrenzt. Sie sind dann am effektivsten, wenn sie geringe Leistungen über lange Zeitspannungen abgeben, da das Ziehen von grossen Strömen sehr schnell zu einer starken Begrenzung ihrer Betriebszeit führt.
Stromversorgungs-Backup-Lösungen von Linear Technology
Davon ausgehend, dass sich sowohl Superkondensatoren, Batterien oder eine Kombination aus beiden für eine Reservestromversorgung eignen: Was sind die dafür geeigneten IC-Lösungen? Linear Technology bietet eine grosse Palette an ICs, die dafür passen, wie der LTC4040, der LTC3643 und der LTC3110.
Der LTC4040 ist ein vollständiges Batteriemanagementsystem für Lithium-Ionen-Backup-Batterien mit den Versorgungspegeln 3,3 und 5 V, die während eines Ausfalls gehalten werden müssen. Mittels eines bidirektionalen, synchronen Wandlers auf dem Chip sorgt er für eine effiziente Aufladung der Batterie und eine Reserveleistung mit hohen Strömen und hohem Wirkungsgrad. Entweder arbeitet der Baustein als abwärts wandelndes Batterieladesystem für einzellige Li-Ionen- oder LiFePO4-Batterien oder – wenn die Eingangsversorgung unter den Schwellwert des Power-Fail-Input abfällt – er liefert bis zu 2,5 A aus der Backup-Batterie an den Systemausgang. Die 2,5-A-Batterieladeschaltung des LTC4040 bietet acht Ladespannungen, die für Li-Ionen- und LiFePO4-Batterien optimiert sind. Der Baustein enthält auch eine Eingangsstromüberwachung, eine Anzeige bei Ausfall der Eingangsstromversorgung und eine Anzeige bei Ausfall der Systemversorgung.
Der LTC3643 erledigt die Arbeit von zwei Reglern
Der aufwärts wandelnde Hochspannungs-Kondensator-Ladebaustein LTC3643, der automatisch zu einem abwärts wandelnden Regler für die Reservestromversorgung eines Systems wird, erledigt die Arbeit von zwei separaten Schaltreglern – was Volumen, Kosten und Komplexität einspart. Der Lademodus lädt ein Elektrolytkondensator-Array kontinuierlich mit bis zu 40 V und 2 A aus einer Eingangsversorgung zwischen 3 und 17 V. Im Backup-Modus ändert die Schaltung ihre Funktion, um das System zu versorgen und den Systemspannungspegel aus den Backup-Kondensatoren aufrechtzuerhalten.
Während der Reservestromversorgung kann eine Strombegrenzung zwischen 2 und 4 A programmiert werden, wodurch sich dieser IC ideal für Backup-Kondensatorsysteme mit hoher Energie und relativ kurzer Zeitspanne, Backup-Systeme für den Stromversorgungsausfall, Solid-State-Drives und Ladeapplikationen von Batteriestapeln eignet. Der Wandler arbeitet mit 1 MHz Schaltfrequenz. Der Betrieb im Burst-Modus mit geringem Ruhestrom während der Regelung maximiert die Energienutzung aus dem Backup-Kondensator. Der LTC3643 bietet einen Betrieb als ideale Diode an der Eingangsstromversorgung, weil er ein Gate-Treibersignal an einen externen PMOS-Schalter liefert, was effizient Leistung bereitstellt und während des Backup-Betriebs die Eingangsstromversorgung und die Systemlast sauber trennt.
LTC3110 – ein bidirektionaler Lade-IC
Der LTC3110 ist ein bidirektionaler, ab-/aufwärts wandelnder Superkondensatorladebaustein mit programmierbarem Eingangsstrom und aktivem Ladungsausgleich für einen oder zwei in Reihe geschaltete Superkondensatoren. Seine proprietäre, rauscharme ab-/aufwärts wandelnde Topologie erledigt die Arbeit von zwei separaten Schaltreglern. Im Backup-Modus hält der Baustein eine Systemspannung von 1,71 bis 5,25 V aufrecht, wenn er aus dem Superkondensator versorgt wird. Darüber hinaus besitzt der Speichereingang des Superkondensators einen weiten nutzbaren Betriebsbereich von 5,5 bis 0,1 V. Dies erschliesst praktisch die gesamte im Superkondensator gespeicherte Energie, verlängert die Backup-Zeitspanne und minimiert die nötigen Speicherkondensatoren.
Alternativ dazu kann der LTC3110 im Lademodus die Richtung umkehren, um die Superkondensatoren zu laden und auszubalancieren. Der IC hat im Lademodus auch eine Durchschnitts-Eingangsstrombegrenzung, die mit ±2 % auf bis zu 2 A programmiert werden kann, was eine Überlast der Systemstromversorgung verhindert und die Zeitspanne für die Wiederaufladung des Kondensators minimiert. Der aktive Ladeausgleich des LTC3110 eliminiert den konstanten Stromfluss über die externen Vorschaltwiderstände. Dies stellt sicher, dass selbst bei falsch angepassten Kondensatoren und selteneren Wiederaufladezyklen geladen wird. Die programmierbare Regelung der maximalen Kondensatorspannung balanciert und begrenzt die Spannung an jedem Kondensator im in Reihe geschalteten Stapel auf die Hälfte des programmierten Werts. Dies stellt den zuverlässigen Betrieb sicher, wenn die Kondensatoren altern und sich deshalb die Kapazitäten ändern und nicht mehr aufeinander abgestimmt sind. Die synchronen Schalter mit geringem RDS(ON) und geringer Gate-Ladung ergeben eine Wandlung mit hohem Wirkungsgrad, was die Ladezeit der Speicherelemente minimiert. Die Eingangsstrombegrenzung und maximale Kondensatorspannung sind über Widerstände programmierbar. Der Durchschnittseingangsstrom wird über einen Programmierbereich von 0,125 bis 2 A akkurat gesteuert.
Der über Pin wählbare Betrieb im Burst-Modus verbessert den Wirkungsgrad bei kleinen Lasten und reduziert den Standby-Strom auf nur mehr 40 µA und den Strom im abschalteten Zustand auf weniger als 1 µA. Weitere Funktionen des LTC3110 sind eine hohe Schaltfrequenz von 1,2 MHz, Schutz vor Überhitzung und zwei Spannungsüberwachungen zur Steuerung der Richtung und des Ladeendes sowie ein universeller Komparator mit einer offenen Kollektorschaltung als Schnittstelle zu einem µC oder µP.
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