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Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Superkondensator als Backup-Schaltung

2. Juni 2014, 14:45 Uhr | Von Samuel Nork, Linear Technology

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Anforderungen an das Backup-System

Sämtliche auf Kondensatoren basierende Systeme haben gemeinsame Elemente: Die PowerPath-Regelung und die Erkennung von Stromversorgungsausfällen sind erforderlich, um den Verbraucher aus der geeigneten Quelle zu versorgen und das System zu warnen, wenn es von seinem Normalbetrieb in den Backup-Modus übergeht. Der Speicherkondensator muss geladen werden. Da ein sicherer Backup nicht möglich ist, solange nicht ausreichend Energie im Backup-Kondensator gespeichert ist, fordern viele Anwendungen, dass das Laden die Zeitspanne, in der das System herunter fährt, nicht überschreitet. Allerdings sind hohe Ladeströme generell unerwünscht. Da Superkondensatoren in der Regel eine Betriebsspannung von 2,7 V haben, werden häufig einige Kondensatoren in Reihe geschaltet. In diesen Fällen müssen während des Ladens Vorkehrungen für den Abgleich und Schutz der Kondensatoren getroffen werden, um Schäden und eine verkürzte Lebenszeit aufgrund von Überspannung zu vermeiden.

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Bild 1 zeigt eine vereinfachte Schaltung für den LTC3350, einen Kondensator-Ladebaustein und Backup-Controller-IC von Linear Technology, der speziell für Kondensator-Backup-Applikationen entwickelt wurde. Der Baustein enthält alle nötigen Funktionen, um bis zu vier Kondensatoren in Reihe zu laden, abzugleichen und zu schützen. Der Schwellwert des Ausfalls der Eingangsversorgung, die Ladespannung des Kondensators und die geregelte minimale Backup-Spannung können über externe Widerstände programmiert werden. Zusätzlich integriert der Baustein einen 14-bit-A/D-Umsetzer, der Ein- und Ausgang sowie Kondensatorspannung und -strom überwacht. Das interne Messsystem überwacht auch Parameter, die mit den Backup-Kondensatoren direkt zusammenhängen, z.B. Spannung des Kondensatorstapels, Kapazität und äquivalenter Serienwiderstand (ESR = Equivalent Series Resistance) des Stapels. Um das System bei einer plötzlichen Änderung eines dieser gemessenen Parameter zu warnen, können alle Systemparameter und Fehlerzustände über einen Zweidraht-I²C-Bus ausgelesen und Alarmpegel eingestellt werden.

Laden von Superkondensatoren

Das Laden von Superkondensatoren gleicht bis auf einige Schlüsselpunkte dem von Batterien. Der erste Punkt ist, dass ein vollständig entladener Kondensator im Ladezyklus mit vollem Strom geladen werden kann, während Batterien eine Dauerladung benötigen, bis die Batterie ihre spezifizierte minimale Spannung erreicht. Ein zweiter Punkt ist, dass für Kondensatoren kein Abschluss-Timer nötig ist. Ist die endgültige Erhaltungsspannung erreicht, kann keine zusätzliche Ladung vom Kondensator gespeichert werden und das Laden muss gestoppt werden. Werden zwei oder mehrere Superkondensatoren in Reihe geladen, wird jede Fehlanpassung der Kapazität von einer Zelle zu den anderen Zellen in unterschiedlichen Anstiegsraten der Spannung an jedem Kondensator resultieren. Mit Hilfe zusätzlicher Sicherheitsfunktionen muss sichergestellt werden, dass keiner der Kondensatoren seine maximale Spannung während des Ladens überschreitet. Darüber hinaus muss ein Ausgleichssystem dafür sorgen, dass, wenn der Stapel geladen ist, alle seine Zellen auf dieselbe Spannung gezwungen werden und nicht mit der Zeit aufgrund von Unterschieden in der Selbstentladung davon abdriften.

Die Ladeschaltung im LTC3350 besteht aus einem synchronen Hochstrom-Abwärts-Controller mit über Widerstände programmierbarem maximalem Ladestrom und maximaler Stapelspannung (Bild 2). Da der Ladebaustein aus derselben Stromversorgung wie auch die Last gespeist wird, enthält der LTC3350 eine separat programmierbare Eingangsstrombegrenzung, die unter hohen U_OUT-Lastbedingungen automatisch den Ladestrom zu den Kondensatoren reduziert. Intern zwingen Kleinstrom-Balancierer (nicht in Bild 2 gezeigt) alle Zellen dazu, bis zu einer maximalen Spannung pro Zelle innerhalb eines Spannungsunterschieds von 10 mV zwischen den Zellen zu bleiben. Integrierte Schutz-Shunts (ebenfalls nicht dargestellt) reduzieren den Ladestrom und schalten den verbleibenden Strom parallel über jeden Kondensator, der entweder die 2,7 V Anfangs- oder die vom Anwender programmierte maximale Zellenspannung erreicht hat. Zusätzlich kann die Ladespannung des Stapels mit Hilfe einer Software-Steuerung reduziert werden, um die Lebenszeit des Kondensators bei vorgegebenen Anforderungen an die Backup-Energie zu optimieren.