Har du en reservplan?

En av mina favoriter är: “Plan 9 from Outer Space,” i vilken rymdvarelser kommer till Jorden för att stoppa mänskligheten från att bygga ett domedagsvapen som skulle kunna förgöra hela universum. Saker och ting går dock inte riktigt som planerat och främlingarna tillintetgörs. Utomjordingarna hade tydligen ingen B-plan, utifall att plan 9 inte skulle fungera! En jämförelse kan lätt göras mellan filmens handling och ett elektoniksystem som måste fortsätta att fungera, oavsett dess externa driftsförhållanden. Formulerat på annat vis – samtliga kraftmatningsavbrott, vare sig det handlar om ögonblick, eller sekunder, eller t o m minuter, måste beaktas under konstruktionsarbetet. Det vanligaste sättet att ta itu med sådana omständigheter är att använda avbrottsfria kraftaggregat (UPSer) för att täcka dessa korta avbrott, vilket därmed tillser högt tillförlitlig kontinuerlig drift hos systemet. På liknande sätt utnyttjas många av dagens nöd- och standby-system för att tillhandahålla reservkraft till byggnadssystem för att se till att säkerhetssystem och kritisk utrustning kan fortsätta att fungera vid ett strömavbrott – oavsett avbrottets orsak. Ett annat uppenbart exempel är all den handhållna elektronikutrustning som vi så ofta använder i vardagslivet. Eftersom pålitlighet är av yttersta vikt utformas handhållen utrustning med lätta men tillförlitliga kraftkällor för användning under normala förhållanden. Ingen mängd konstruktion kan dock förhindra den misshandel utrustningen utsätts för i männoskohänder (eller av rymdvarelser). Vad händer exempelvis när en fabriksarbetare tappar en streckkodläsare och batteriet trillar ur? Sådana händelser är ur elektroniksynpunkt oförutsebara, och viktig data lagrad i ett flyktigt minne skulle gå förlorad utan någon sorts säkerhetslina – nämligen ett system som lagrar tillräckligt med kraft för att tillhandahålla reservkraft tills batteriet kan återställas eller data kan lagras i ett permanent minne. Exemplen visar tydligt på behovet av att en alternativ form av kraftkälla finns tillgänglig, bara utifall att avbrott sker hos den primära kraftkällan. Med andra ord, en reservplan behövs i händelse av att huvudströmmen inte är närvarande – oavsett orsak. Det kallar jag en reserv- eller B-plan. Lagringsmedier När man väl insett behovet av reservkraft i ett givet system inställer sig frågan: vad kan utnyttjas som ett lagringsmedium för denna kraft? Traditionellt sett har kondensatorer och batterier valts. Jag tror att man med säkerhet kan säga att kondensatorteknik har spelat en stor roll för tillämpningar för kraftöverföring och kraftleverans under flera decennier. Traditionella tunnfilms- och oljebaserade kondensatorkonstruktioner utförde exempelvis en rad olika funktioner, såsom kraftfaktorkorrigering och spänningsbalansering. Under det senaste årtiondet har dock stora satsningar på forskning och utveckling lett till stora framsteg inom konstruktion av och förmågan hos kondensatorer. Dessa har kallats superkondensatorer (ibland även ultrakondensatorer) och de är idealiska för användning i batterienergilagring och reservkraftsystem. Superkondensatorer är kanske begränsade i fråga om deras totala energilagring; men de är trots allt “energitäta.” Dessutom har de förmåga att ladda ur höga nivåer av energi snabbt och återuppladda snabbt. Superkondensatorer är också kompakta, robusta och tillförlitliga och kan stöda de krav som ställs på ett reservsystem för kortsiktiga strömavbrott såsom de som redan beskrivits ovan. De är lätta att parallellkoppla eller stapla i serie eller kan t o m användas i kombinationer av parallell- och seriekoppling för att leverera den spänning och ström som sluttillämpningen kräver. En superkondensator är trots allt mer än bara en kondensator med mycket hög nivå av kapacitans. Jämfört med vanliga keram-, tantal- eller elektrolytkondensatorer erbjuder superkondensatorer högre energitäthet och högre kapacitans på liknande formfaktor och vikt. Och, även om superkondensatorer kräver viss “skötsel och matning,” förstärker eller till och med ersätter de batterier i datalagringstillämpningar som kräver reservkraft av hög ström under kort tid. Dessutom används de i en rad olika bärbara tillämpningar med hög toppeffekt som behöver kraftiga strömstötar eller momentan batteri-”backup”, såsom exempelvis UPS-system. Jämfört med batterier ger superkondensatorer högre toppeffektstötar i mindre formfaktor och har längre laddningslivslängd över ett bredare arbetstemperaturområde. Superkondensatorernas livslängd kan maximeras genom att man minskar kondensatorns “top-off”-spänning och undviker höga temperaturer (>50°C). Batterier kan å andra sidan lagra mycket energi, men de är begränsade i fråga om krafttäthet och kraftleverans. På grund av de kemiska reaktioner som sker inne i ett batteri kan de ha begränsad livslängd i fråga om antal cykler. Därmed är de mest effektiva när de levererar ganska små mängder kraft under långa tidsperioder, eftersom snabba uttag av många ampere kraftigt begränsar deras användbara driftslivslängd. Tabell 1 visar en sammanfattning av för- och nackdelarna med superkondensatorer, kondensatorer och batterier.

Parameter	Superkondensatorer	Kondensatorer	Batterier
Energilagring	mäts i Ws	mäts i Ws	mäts i Wh av energi
Laddningsmetod	spänning över terminaler dvs från ett batteri	spänning över terminaler dvs från ett batteri	ström och spänning
Levererad kraft	Snabb urladdning, spänningen avklingar linjärt eller exponentiellt	Snabb urladdning, spänningen avklingar linjärt eller exponentiellt	Konstant spänning över lång tidsperiod
Laddnings-/urladdningstid	millisekunder till sekunder	pikosekunder till millisekunder	1 till10 timmar
Formfaktor	liten	liten till stor	stor
Vikt	1-2g	1g till 10kg	1g till >10kg
Energitäthet	1 till 5Wh/kg	0,01 till 0,05Wh/kg	8 till 600Wh/kg
Effekttäthet	Hög >4000W/kg	Hög >5000W/kg	Låg 100-3000W/kg
Arbetsspänning	2,3V – 2,75V/cell	6V – 800V	1,2V - 4,2V/cell
Livslängd	>100k cykler	>100k cykler	150 till 1500 cykler
Arbetstemperatur	-40 till +85°C	-20 till +100°C	-20 till +65°C

Tabell 1. Jämförelse mellan superkondensatorer, kondensatorer och batterier Nya reservkraftlösningar När vi nu har slagit fast att antingen superkondensatorer, batterier och/eller en kombination av bådadera är kandidater för användning som reservkraft i nästan vilket elektroniksystem som helst – vilka integrerade kretslösningar finns då tillgängliga? Det visar sig att Linear Technology har ett brett sortiment av integrerade kretsar som konstruerats speciellt för denna tillämpning. De tre lösningar som jag skulle vilja framhäva är LTC4040, LTC3643 och LTC3110. LTC4040 är ett komplett litiumbatteri-baserat reservkraftsystem för 3,5 V till 5 V matningar som måste hållas aktiva vid strömavbrott. Batterier ger betydligt mer energi än superkondensatorer, vilket gör att de passar bättre för tillämpningar som kräver reservkraft under långa tidsperioder. LTC4040 utnyttjar en inbyggd dubbelriktad synkron omvandlare för att ge batteriladdning av hög verkningsgrad liksom mycket effektiv reservkraft med hög ström. När extern kraft är tillgänglig fungerar kretsen som en “step down”-baserad batteriladdare för encells Li-jon- eller LiFePO4-batterier fast företräde ges till systemlasten. När inspänningen sjunker under en justerbar tröskel, Power-Fail Input (PFI), fungerar LTC4040 som en “step-up”-regulator som kan leverera upp till 2,5 A till systemutgången från reservbatteriet. Vid strömavbrott ger kretsens PowerPath™-styrning omvänd blockering och en sömlös övergång mellan ingående kraft och reservkraft. Vanliga tillämpningar för LTC4040 inkluderar språrning av fordon och gods, fordonsbaserade GPS-dataloggers, fordonsbaserade telematiksystem, tullavgiftssystem, säkerhetssystem, kommunikationssystem, industriell reservkraft och USB-driven utrustning. Se figur 1 för ett typiskt kretsschema. Figur 1. 4,5 V reservkraft med en PFI-tröskel på 4,22 V LTC4040 inkluderar även valbart överspänningsskydd (OVP) som skyddar kretsen från inspänning på mer än 60 V med en extern FET. Dess justerbara begränsningsfunktion för inström möjliggör drift från en strömbegränsad källa medan systemlastens ström prioriteras före batteriladdningsströmmen. En extern frånkopplingsswitch isolerar den primära ingående matningen från systemet vid ”backup”. LTC4040s 2,5 A batteriladdare ger åtta valbara laddningsspänningar optimerade för Li-jon- och LiFePO4-batterier. Kretsen inkluderar också övervakning av inströmmen, visare för förlust av ingående kraft och visare för förlust av systemkraft. LTC3643 är en dubbelriktad, högspänningsbaserad “boost”-kondensatorladdare som automatiskt övergår till att bli en ”buck”-regulator för system-”backup”. Den egenutvecklade topologin med en induktans och integrerad PowerPath-funktion, utför två separata switchregulatorers jobb – sparar storlek, kostnad och komplexitet. LTC3643 har två funktionslägen, “boost”-baserat laddningsläge och “buck”-baserat reservkraftläge. Laddningsläget laddar verkningsfullt ett elektrolytiskt kondensatorsystem upp till 40 V vid upp till 2 A kontinuerligt från en inspänning på mellan 3 V och 17 V. I reservkraftläge - när inspänningen sjunker under den programmerbara PFI-tröskeln – fungerar ”step-up”-laddaren omvänt som en synkron ”step-down”-regulator för att kraftmata och upprätthålla systemmatningen från reservkondensatorn/-kondensatorerna. Vid “backup” kan strömgränsen programmeras från 2 A till 4 A, vilket gör att kretsen passar utmärkt för energirika reservkondensatorsystem för relativt korta tidsperioder, reservsystem för strömavbrott, halvledarbaserade drivkretsar och laddningstillämpningar för batteristaplar. I figur 2 visas ett förenklat kretsschema.

Figur 2. Förenklat kretsschema för LTC3643 som utnyttjar en elektrolytisk kondensator för reservkraft.

När “backup”-kondensatorn laddas kan ett externt och lågt avkänningsmotstånd utnyttjas av LTC3643 för att bibehålla rätt strömgräns från ingången samtidigt som kraftleverans till systemlasten prioriteras. Gränsen för inströmmen kan programmeras med ett avkänningsmotstånd med tröskelspänning på 50 mV, vilket förhindrar att systemkraftkällan överbelastas samtidigt som kondensatorns återuppladdningstid minimeras. Omvandlaren har en arbetsfrekvens på 1 MHz, vilket minimerar de externa komponenternas storlek. Burst Mode®-drift med låg viloström under regleringen maximerar energianvändningen från “backup”-kondensatorn. LTC3643 ger “idealdiod”-drift vid ingången genom att tillhandahålla en drivsignal för grinden till en extern PMOS-switch, vilket möjliggör verkningsfull kraftleverans och samtidigt fullständig isolation mellan ingången och systemlasten i ”backup”-läge. LTC3110 är en dubbelriktad “buck/boost”-baserad superkondensatorladdare för programmerbar inström med aktiv laddningsbalansering för 1- eller 2-seriekopplade superkondensatorer. Den egenutvecklade lågbrusiga “buck/boost”-topologin utför arbetet hos två separata switchregulatorer, vilket sparar storlek, kostnad och komplexitet. LTC3110 fungerar i två lägen, “backup”- och laddnings-läge. I “backup”-läge bibehåller kretsen en systemspänning, VSYS, på 1,71 V till 5,25 V, kraftmatad med energi lagrad i superkondensatorn. Dessutom har superkondensatorns lagringsingång, VCAP, ett brett praktiskt driftsområde från 5,5 V ned till 0,1 V. Detta tillser att all energi som är lagrad i superkondensatorn utnyttjas, vilket därmed gör att reservkrafttiden kan förlängas eller att lagringskondensatorerna kan krympas. Alternativt kan LTC3110, i laddningsläge när huvudströmmen är på, på egen hand eller på kommando från användaren, vända kraftflödets riktning med hjälp av den reglerade systemspänningen för att ladda och balansera superkondensatorerna. VCAP lagras verkningsfullt till över eller under VSYS av “buck/boost”-PWMen. Kretsen har också en gräns för genomsnittlig inström i laddningsläge som kan programmeras upp till 2 A med en noggrannhet på +/-2%, vilket förhindrar att systemkraftkällan överbelastas samtidigt som kondensatorns återuppladdningstid minimeras. Figur 3 visar hur LTC3110 fungerar i en reservkrafttillämpning. LTC3110s aktiva laddningsbalansering utesluter ständiga kraftförluster hos energihungriga externa ballastmotstånd och tillser laddning även med misspassade kondensatorer och mindre frekventa uppladdningscykler. Programmerbar reglering av maximal kondensatorspänning balanserar och begränsar aktivt spänningen över varje kondensator i seriestacken till hälften av det programmerade värdet, vilket tillser tillförlitlig drift när kondensatorerna åldras och utvecklar misspassad kapacitet. De synkrona switcharna med lågt RDS(PÅ) och låg grindladdning ger högt verkningsfull omvandling för att minimera laddningstiden för lagringsdelarna.

Figur 3. Förenklat kretsschema för LTC3310 som visar dess dubbelriktade funktion

LTC3110s inströmgräns och högsta kondensatorspänning programmeras med motstånd. Den genomsnittliga inströmmen styrs noggrant över programmeringsområdet 0,125 A till 2 A. Burst Mode-drift på valbara benanslutningar förbättrar verkningsgraden vid lätt last och minskar strömmen i “standby”-läge till endast 40 µA och i avstängt läge till mindre än 1 µA. Övrig prestanda för LTC3110 inkluderar hög switchfrekvens på 1,2 MHz som minimerar storleken på externa komponenter, skydd mot termisk överbelastning och två spänningsövervakare för riktningsstyrning och laddningsslut samt en universalkomparator med ”open-collector”-utgång för gränssnitt mot en styrkrets eller mikroprocessor. Slutsats Närhelst din konstruktion kräver att ett system alltid är tillgängligt även om den primära kraftkällan falerar är det alltid en bra idé att ha reservkraft. Det finns lyckligtvis många kretsalternativ att använda som möjliggör enkel tillförsel av reservkraft, oavsett om denna kraft lagras i en superkondensator, en elektrolytisk kondensator eller t o m i ett batteri. Så, gör inte som utomjordingarna – utan se till att du har en B-plan. ----- Författare: Tony Armstrong; Marknadsdirektör kraftprodukter; © Linear Technology