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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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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Der Backup-Modus

Ist der Backup-Kondensatorenstapel geladen, kann das System die Backup-Leistung liefern. Lade- und Backup-Modi werden durch die Spannung am PFI-Pin (Power Fail Input) bestimmt. Wenn die Eingangsspannung U_IN so abfällt, dass der PFI-Komparator auf »low« übergeht, aktiviert der Baustein unverzüglich den Backup-Modus (Bild 3). U_OUT wird abfallen, wenn U_IN abfällt. Um zu verhindern, dass U_OUT noch weiter und die Ausgangsspannung unter die Spannung des Kondensatorstapels abfällt, leitet die ideale OUTFED-Diode. Sinkt U_OUT unter eine vom Spannungsteiler am OUTFB-Pin programmierte Spannung, arbeitet der Kondensatorladebaustein in entgegengesetzter Richtung als synchroner Backup-DC/DC-Aufwärtswandler, der den VCAP-Stapel als seine Eingangsversorgung und UOUT als seinen geregelten Ausgang nutzt. Der Backup-Aufwärtswandler läuft so lange weiter, bis er die U_OUT-Lastbedingungen nicht mehr unterstützen kann und die Spannung an U_OUT unter den 4,5-V-UVLO-Punkt abfällt. Da der Aufwärtswandler so lange weiterläuft, bis die Stapelspannung deutlich unter 4,5 V sinkt, wird praktisch alle nutzbare Energie im Superkondensatorstapel während des Backup an die Last transferiert. Ein typisches Backup-Szenario ist in Bild 3 rechts gezeigt. In dem Beispiel wird ein Stapel mit vier Serienkondensatoren auf 10 V geladen. Während des Backup-Modus wird U_OUT, bis alle Energie von den Backup-Kondensatoren erschöpft ist, auf ein Minimum von 8 V geregelt.

Zuverlässigkeit durch Systemüberwachung

In hoch zuverlässigen Systemen mit Backup-Stromversorgung muss entsprechend hohe Energie gespeichert werden und verfügbar sein, um alle wichtigen Funktionen sofort nach einem Ausfall der Hauptstromversorgung auszuführen. Es ist essenziell, dass die Energiequelle des Backup in der Lage ist, die nötige Backup-Leistung zu liefern. Superkondensatoren sind wegen ihrer extrem hohen Kapazität pro Volumeneinheit und ihres sehr kleinen ESR eine gute Wahl für diese Anwendungen. Allerdings sinkt, wie bei Batterien, mit der Zeit auch ihre Leistungsfähigkeit. Die Lebensdauer von Kondensatoren ist in der Regel als die Zeit definiert, in der die Kapazität um 30 Prozent sinkt und/oder der ESR um 100 Prozent steigt. Wie Bild 4 zeigt, wird die Abnahme der Kapazität entweder durch hohe Betriebsspannungen oder erhöhte Temperaturen beschleunigt. Da sowohl die Kapazität als auch der ESR des Kondensators wichtig sind, um sicherzustellen, dass das System einen zuverlässigen Backup ausführen kann, muss das System in der Lage sein, die Gesundheit des Backup-Kondensators zu überwachen und anzuzeigen.

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Der LTC3350 überwacht automatisch sowohl die Kapazität als auch den ESR des Stapels zu einem Zeitpunkt und mit einer Frequenz, die vom Anwender gewählt werden. Das geschieht, wenn der Kondensatorstapel voll geladen ist. Der Baustein hat eine Stromquelle, Timing-Schaltung und einen internen 14-bit-A/D-Umsetzer, um die Stapel-Kapazität akkurat zu überwachen. Ein programmierter Strom wird von der Oberseite des Kondensatorstapels gezogen, während die Ladeschaltung auf »aus« gezwungen wird. Die Zeit, die der Kondensatorstapel benötigt, um 200 mV abzufallen, wird genau gemessen; aus diesen Parametern wird die Kapazität des Stapels berechnet. Ist der Kapazitätstest beendet, wird der ESR-Test durchgeführt, indem die Spannung des Stapels einmal mit laufendem und einmal ohne Hochstromlader, der den Stapel wieder lädt, gemessen wird. Die Ladeschaltung, um diesen Test durchzuführen, macht eine externe Testlast mit hoher Leistungsaufnahme überflüssig. Ist der Lader aktiviert, korrespondiert der sofortige Anstieg der Stapelspannung mit dem gemessenen Ladestrom × Stack-ESR. Die aktuellen Werte für die Kapazität und den Kondensator-ESR können über I²C ausgelesen werden.

Sind die Werte für die Stapelkapazität und den ESR bekannt, kann die benötigte minimale Stapelspannung und dadurch ein zuverlässiger Backup für eine gegebene Applikation berechnet werden. Da die meisten Backup-Systeme mit einer eingebauten Sicherheitsmarge entwickelt werden, kann die Stapelspannung gegenüber ihres Anfangswerts reduziert und damit die Lebensdauer des Kondensators verlängert werden. Dies wird mit Hilfe der Software-Steuerung der VCAP-Rückkoppel-DAC-Spannung des LTC3350 erreicht.

Die Kombination von sehr hoher Kapazität und sehr geringem ESR haben Superkondensatoren für Backup-Lösungen mit hoher Versorgungsleistung interessant gemacht. Große Fortschritte in der Leistungsfähigkeit kommen jedoch selten ohne Kompromisse: Um Superkondensatoren effektiv nutzen zu können, müssen Zellen häufig in Reihe geschaltet werden, was wiederum Schutz- und Ausgleichsschaltungen erfordert. Während die Betriebs- und Lebensdauer eines Superkondensators die der konkurrierenden Batterietechnik allgemein weit übersteigen, können kleine Änderungen in der Kondensatorspannung und der Temperatur mit der Zeit zu drastischen Änderungen der Kapazität des Systems führen. Aus diesem Grund ist die Überwachung der »Systemgesundheit« in jedem auf Kondensatoren basierenden System unabdingbar.

Sam Nork
arbeitet seit 1988 bei Linear Technologies. 1994 übernahm er die Leitung des Design Center für Analog-ICs in Boston. Dort entwickelt er mit seinen rund 100 Mitarbeitern u.a. Analog-ICs für Power Management und industrielle A/D-Umsetzer.

Der Autor