Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
© ed wood wikipedia Analys | 04 maj 2016

Har du en reservplan?

Eftersom jag gillar science fiction Àr jag förtjust i Hollywoods och Ed Woods lÄgbudgetfilmer frÄn sent 1950-tal som Àr sÄ typiska för den genren.
En av mina favoriter Ă€r: “Plan 9 from Outer Space,” i vilken rymdvarelser kommer till Jorden för att stoppa mĂ€nskligheten frĂ„n att bygga ett domedagsvapen som skulle kunna förgöra hela universum. Saker och ting gĂ„r dock inte riktigt som planerat och frĂ€mlingarna tillintetgörs. Utomjordingarna hade tydligen ingen B-plan, utifall att plan 9 inte skulle fungera!

En jĂ€mförelse kan lĂ€tt göras mellan filmens handling och ett elektoniksystem som mĂ„ste fortsĂ€tta att fungera, oavsett dess externa driftsförhĂ„llanden. Formulerat pĂ„ annat vis – samtliga kraftmatningsavbrott, vare sig det handlar om ögonblick, eller sekunder, eller t o m minuter, mĂ„ste beaktas under konstruktionsarbetet. Det vanligaste sĂ€ttet att ta itu med sĂ„dana omstĂ€ndigheter Ă€r att anvĂ€nda avbrottsfria kraftaggregat (UPSer) för att tĂ€cka dessa korta avbrott, vilket dĂ€rmed tillser högt tillförlitlig kontinuerlig drift hos systemet.

PĂ„ liknande sĂ€tt utnyttjas mĂ„nga av dagens nöd- och standby-system för att tillhandahĂ„lla reservkraft till byggnadssystem för att se till att sĂ€kerhetssystem och kritisk utrustning kan fortsĂ€tta att fungera vid ett strömavbrott – oavsett avbrottets orsak. Ett annat uppenbart exempel Ă€r all den handhĂ„llna elektronikutrustning som vi sĂ„ ofta anvĂ€nder i vardagslivet. Eftersom pĂ„litlighet Ă€r av yttersta vikt utformas handhĂ„llen utrustning med lĂ€tta men tillförlitliga kraftkĂ€llor för anvĂ€ndning under normala förhĂ„llanden. Ingen mĂ€ngd konstruktion kan dock förhindra den misshandel utrustningen utsĂ€tts för i mĂ€nnoskohĂ€nder (eller av rymdvarelser).

Vad hĂ€nder exempelvis nĂ€r en fabriksarbetare tappar en streckkodlĂ€sare och batteriet trillar ur? SĂ„dana hĂ€ndelser Ă€r ur elektroniksynpunkt oförutsebara, och viktig data lagrad i ett flyktigt minne skulle gĂ„ förlorad utan nĂ„gon sorts sĂ€kerhetslina – nĂ€mligen ett system som lagrar tillrĂ€ckligt med kraft för att tillhandahĂ„lla reservkraft tills batteriet kan Ă„terstĂ€llas eller data kan lagras i ett permanent minne.

Exemplen visar tydligt pĂ„ behovet av att en alternativ form av kraftkĂ€lla finns tillgĂ€nglig, bara utifall att avbrott sker hos den primĂ€ra kraftkĂ€llan. Med andra ord, en reservplan behövs i hĂ€ndelse av att huvudströmmen inte Ă€r nĂ€rvarande – oavsett orsak. Det kallar jag en reserv- eller B-plan.

Lagringsmedier

NÀr man vÀl insett behovet av reservkraft i ett givet system instÀller sig frÄgan: vad kan utnyttjas som ett lagringsmedium för denna kraft? Traditionellt sett har kondensatorer och batterier valts.

Jag tror att man med sÀkerhet kan sÀga att kondensatorteknik har spelat en stor roll för tillÀmpningar för kraftöverföring och kraftleverans under flera decennier. Traditionella tunnfilms- och oljebaserade kondensatorkonstruktioner utförde exempelvis en rad olika funktioner, sÄsom kraftfaktorkorrigering och spÀnningsbalansering. Under det senaste Ärtiondet har dock stora satsningar pÄ forskning och utveckling lett till stora framsteg inom konstruktion av och förmÄgan hos kondensatorer.

Dessa har kallats superkondensatorer (ibland Ă€ven ultrakondensatorer) och de Ă€r idealiska för anvĂ€ndning i batterienergilagring och reservkraftsystem. Superkondensatorer Ă€r kanske begrĂ€nsade i frĂ„ga om deras totala energilagring; men de Ă€r trots allt “energitĂ€ta.” Dessutom har de förmĂ„ga att ladda ur höga nivĂ„er av energi snabbt och Ă„teruppladda snabbt.

Superkondensatorer Àr ocksÄ kompakta, robusta och tillförlitliga och kan stöda de krav som stÀlls pÄ ett reservsystem för kortsiktiga strömavbrott sÄsom de som redan beskrivits ovan. De Àr lÀtta att parallellkoppla eller stapla i serie eller kan t o m anvÀndas i kombinationer av parallell- och seriekoppling för att leverera den spÀnning och ström som sluttillÀmpningen krÀver. En superkondensator Àr trots allt mer Àn bara en kondensator med mycket hög nivÄ av kapacitans.

JĂ€mfört med vanliga keram-, tantal- eller elektrolytkondensatorer erbjuder superkondensatorer högre energitĂ€thet och högre kapacitans pĂ„ liknande formfaktor och vikt. Och, Ă€ven om superkondensatorer krĂ€ver viss “skötsel och matning,” förstĂ€rker eller till och med ersĂ€tter de batterier i datalagringstillĂ€mpningar som krĂ€ver reservkraft av hög ström under kort tid.

Dessutom anvĂ€nds de i en rad olika bĂ€rbara tillĂ€mpningar med hög toppeffekt som behöver kraftiga strömstötar eller momentan batteri-”backup”, sĂ„som exempelvis UPS-system. JĂ€mfört med batterier ger superkondensatorer högre toppeffektstötar i mindre formfaktor och har lĂ€ngre laddningslivslĂ€ngd över ett bredare arbetstemperaturomrĂ„de. Superkondensatorernas livslĂ€ngd kan maximeras genom att man minskar kondensatorns “top-off”-spĂ€nning och undviker höga temperaturer (>50°C).

Batterier kan Ä andra sidan lagra mycket energi, men de Àr begrÀnsade i frÄga om krafttÀthet och kraftleverans. PÄ grund av de kemiska reaktioner som sker inne i ett batteri kan de ha begrÀnsad livslÀngd i frÄga om antal cykler. DÀrmed Àr de mest effektiva nÀr de levererar ganska smÄ mÀngder kraft under lÄnga tidsperioder, eftersom snabba uttag av mÄnga ampere kraftigt begrÀnsar deras anvÀndbara driftslivslÀngd. Tabell 1 visar en sammanfattning av för- och nackdelarna med superkondensatorer, kondensatorer och batterier.


ParameterSuperkondensatorerKondensatorerBatterier
EnergilagringmÀts i WsmÀts i WsmÀts i Wh av energi
LaddningsmetodspÀnning över terminaler dvs frÄn ett batterispÀnning över terminaler dvs frÄn ett batteriström och spÀnning
Levererad kraftSnabb urladdning, spÀnningen avklingar linjÀrt eller exponentielltSnabb urladdning, spÀnningen avklingar linjÀrt eller exponentielltKonstant spÀnning över lÄng tidsperiod
Laddnings-/urladdningstidmillisekunder till sekunderpikosekunder till millisekunder1 till10 timmar
Formfaktorlitenliten till storstor
Vikt1-2g1g till 10kg1g till >10kg
EnergitÀthet1 till 5Wh/kg0,01 till 0,05Wh/kg8 till 600Wh/kg
EffekttÀthetHög >4000W/kgHög >5000W/kgLÄg 100-3000W/kg
ArbetsspĂ€nning2,3V – 2,75V/cell6V – 800V1,2V - 4,2V/cell
LivslÀngd>100k cykler>100k cykler150 till 1500 cykler
Arbetstemperatur-40 till +85°C-20 till +100°C-20 till +65°C


Tabell 1. JÀmförelse mellan superkondensatorer, kondensatorer och batterier

Nya reservkraftlösningar

NĂ€r vi nu har slagit fast att antingen superkondensatorer, batterier och/eller en kombination av bĂ„dadera Ă€r kandidater för anvĂ€ndning som reservkraft i nĂ€stan vilket elektroniksystem som helst – vilka integrerade kretslösningar finns dĂ„ tillgĂ€ngliga? Det visar sig att Linear Technology har ett brett sortiment av integrerade kretsar som konstruerats speciellt för denna tillĂ€mpning. De tre lösningar som jag skulle vilja framhĂ€va Ă€r LTC4040, LTC3643 och LTC3110.

LTC4040 Ă€r ett komplett litiumbatteri-baserat reservkraftsystem för 3,5 V till 5 V matningar som mĂ„ste hĂ„llas aktiva vid strömavbrott. Batterier ger betydligt mer energi Ă€n superkondensatorer, vilket gör att de passar bĂ€ttre för tillĂ€mpningar som krĂ€ver reservkraft under lĂ„nga tidsperioder. LTC4040 utnyttjar en inbyggd dubbelriktad synkron omvandlare för att ge batteriladdning av hög verkningsgrad liksom mycket effektiv reservkraft med hög ström. NĂ€r extern kraft Ă€r tillgĂ€nglig fungerar kretsen som en “step down”-baserad batteriladdare för encells Li-jon- eller LiFePO4-batterier fast företrĂ€de ges till systemlasten.

NĂ€r inspĂ€nningen 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 systemutgĂ„ngen frĂ„n reservbatteriet. Vid strömavbrott ger kretsens PowerPathℱ-styrning omvĂ€nd blockering och en sömlös övergĂ„ng mellan ingĂ„ende kraft och reservkraft. Vanliga tillĂ€mpningar för LTC4040 inkluderar sprĂ„rning av fordon och gods, fordonsbaserade GPS-dataloggers, fordonsbaserade telematiksystem, tullavgiftssystem, sĂ€kerhetssystem, kommunikationssystem, industriell reservkraft och USB-driven utrustning. Se figur 1 för ett typiskt kretsschema.


Figur 1. 4,5 V reservkraft med en PFI-tröskel pÄ 4,22 V

LTC4040 inkluderar Ă€ven valbart överspĂ€nningsskydd (OVP) som skyddar kretsen frĂ„n inspĂ€nning pĂ„ mer Ă€n 60 V med en extern FET. Dess justerbara begrĂ€nsningsfunktion för inström möjliggör drift frĂ„n en strömbegrĂ€nsad kĂ€lla medan systemlastens ström prioriteras före batteriladdningsströmmen. En extern frĂ„nkopplingsswitch isolerar den primĂ€ra ingĂ„ende matningen frĂ„n systemet vid ”backup”. LTC4040s 2,5 A batteriladdare ger Ă„tta valbara laddningsspĂ€nningar optimerade för Li-jon- och LiFePO4-batterier. Kretsen inkluderar ocksĂ„ övervakning av inströmmen, visare för förlust av ingĂ„ende kraft och visare för förlust av systemkraft.

LTC3643 Ă€r en dubbelriktad, högspĂ€nningsbaserad “boost”-kondensatorladdare som automatiskt övergĂ„r till att bli en ”buck”-regulator för system-”backup”. Den egenutvecklade topologin med en induktans och integrerad PowerPath-funktion, utför tvĂ„ separata switchregulatorers jobb – sparar storlek, kostnad och komplexitet. LTC3643 har tvĂ„ funktionslĂ€gen, “boost”-baserat laddningslĂ€ge och “buck”-baserat reservkraftlĂ€ge. LaddningslĂ€get laddar verkningsfullt ett elektrolytiskt kondensatorsystem upp till 40 V vid upp till 2 A kontinuerligt frĂ„n en inspĂ€nning pĂ„ mellan 3 V och 17 V.

I reservkraftlĂ€ge - nĂ€r inspĂ€nningen sjunker under den programmerbara PFI-tröskeln – fungerar ”step-up”-laddaren omvĂ€nt som en synkron ”step-down”-regulator för att kraftmata och upprĂ€tthĂ„lla systemmatningen frĂ„n reservkondensatorn/-kondensatorerna. Vid “backup” kan strömgrĂ€nsen programmeras frĂ„n 2 A till 4 A, vilket gör att kretsen passar utmĂ€rkt för energirika reservkondensatorsystem för relativt korta tidsperioder, reservsystem för strömavbrott, halvledarbaserade drivkretsar och laddningstillĂ€mpningar för batteristaplar. I figur 2 visas ett förenklat kretsschema.


Figur 2. Förenklat kretsschema för LTC3643 som utnyttjar en elektrolytisk kondensator för reservkraft.
NĂ€r “backup”-kondensatorn laddas kan ett externt och lĂ„gt avkĂ€nningsmotstĂ„nd utnyttjas av LTC3643 för att bibehĂ„lla rĂ€tt strömgrĂ€ns frĂ„n ingĂ„ngen samtidigt som kraftleverans till systemlasten prioriteras. GrĂ€nsen för inströmmen kan programmeras med ett avkĂ€nningsmotstĂ„nd med tröskelspĂ€nning pĂ„ 50 mV, vilket förhindrar att systemkraftkĂ€llan överbelastas samtidigt som kondensatorns Ă„teruppladdningstid minimeras. Omvandlaren har en arbetsfrekvens pĂ„ 1 MHz, vilket minimerar de externa komponenternas storlek.

Burst ModeÂź-drift med lĂ„g viloström under regleringen maximerar energianvĂ€ndningen frĂ„n “backup”-kondensatorn. LTC3643 ger “idealdiod”-drift vid ingĂ„ngen genom att tillhandahĂ„lla en drivsignal för grinden till en extern PMOS-switch, vilket möjliggör verkningsfull kraftleverans och samtidigt fullstĂ€ndig isolation mellan ingĂ„ngen och systemlasten i ”backup”-lĂ€ge.

LTC3110 Ă€r en dubbelriktad “buck/boost”-baserad superkondensatorladdare för programmerbar inström med aktiv laddningsbalansering för 1- eller 2-seriekopplade superkondensatorer. Den egenutvecklade lĂ„gbrusiga “buck/boost”-topologin utför arbetet hos tvĂ„ separata switchregulatorer, vilket sparar storlek, kostnad och komplexitet. LTC3110 fungerar i tvĂ„ lĂ€gen, “backup”- och laddnings-lĂ€ge.

I “backup”-lĂ€ge bibehĂ„ller kretsen en systemspĂ€nning, VSYS, pĂ„ 1,71 V till 5,25 V, kraftmatad med energi lagrad i superkondensatorn. Dessutom har superkondensatorns lagringsingĂ„ng, VCAP, ett brett praktiskt driftsomrĂ„de frĂ„n 5,5 V ned till 0,1 V. Detta tillser att all energi som Ă€r lagrad i superkondensatorn utnyttjas, vilket dĂ€rmed gör att reservkrafttiden kan förlĂ€ngas eller att lagringskondensatorerna kan krympas. Alternativt kan LTC3110, i laddningslĂ€ge nĂ€r huvudströmmen Ă€r pĂ„, pĂ„ egen hand eller pĂ„ kommando frĂ„n anvĂ€ndaren, vĂ€nda kraftflödets riktning med hjĂ€lp av den reglerade systemspĂ€nningen för att ladda och balansera superkondensatorerna.

VCAP lagras verkningsfullt till över eller under VSYS av “buck/boost”-PWMen. Kretsen har ocksĂ„ en grĂ€ns för genomsnittlig inström i laddningslĂ€ge som kan programmeras upp till 2 A med en noggrannhet pĂ„ +/-2%, vilket förhindrar att systemkraftkĂ€llan överbelastas samtidigt som kondensatorns Ă„teruppladdningstid minimeras. Figur 3 visar hur LTC3110 fungerar i en reservkrafttillĂ€mpning.

LTC3110s aktiva laddningsbalansering utesluter stĂ€ndiga kraftförluster hos energihungriga externa ballastmotstĂ„nd och tillser laddning Ă€ven med misspassade kondensatorer och mindre frekventa uppladdningscykler. Programmerbar reglering av maximal kondensatorspĂ€nning balanserar och begrĂ€nsar aktivt spĂ€nningen över varje kondensator i seriestacken till hĂ€lften av det programmerade vĂ€rdet, vilket tillser tillförlitlig drift nĂ€r kondensatorerna Ă„ldras och utvecklar misspassad kapacitet. De synkrona switcharna med lĂ„gt RDS(PÅ) och lĂ„g grindladdning ger högt verkningsfull omvandling för att minimera laddningstiden för lagringsdelarna.


Figur 3. Förenklat kretsschema för LTC3310 som visar dess dubbelriktade funktion
LTC3110s inströmgrĂ€ns och högsta kondensatorspĂ€nning programmeras med motstĂ„nd. Den genomsnittliga inströmmen styrs noggrant över programmeringsomrĂ„det 0,125 A till 2 A. Burst Mode-drift pĂ„ valbara benanslutningar förbĂ€ttrar verkningsgraden vid lĂ€tt last och minskar strömmen i “standby”-lĂ€ge till endast 40 ”A och i avstĂ€ngt lĂ€ge till mindre Ă€n 1 ”A. Övrig prestanda för LTC3110 inkluderar hög switchfrekvens pĂ„ 1,2 MHz som minimerar storleken pĂ„ externa komponenter, skydd mot termisk överbelastning och tvĂ„ spĂ€nningsövervakare för riktningsstyrning och laddningsslut samt en universalkomparator med ”open-collector”-utgĂ„ng för grĂ€nssnitt mot en styrkrets eller mikroprocessor.

Slutsats

NĂ€rhelst din konstruktion krĂ€ver att ett system alltid Ă€r tillgĂ€ngligt Ă€ven om den primĂ€ra kraftkĂ€llan falerar Ă€r det alltid en bra idĂ© att ha reservkraft. Det finns lyckligtvis mĂ„nga kretsalternativ att anvĂ€nda som möjliggör enkel tillförsel av reservkraft, oavsett om denna kraft lagras i en superkondensator, en elektrolytisk kondensator eller t o m i ett batteri. SĂ„, gör inte som utomjordingarna – utan se till att du har en B-plan.
-----

Författare: Tony Armstrong; Marknadsdirektör kraftprodukter; © Linear Technology
Annons
Annons
Annons
Annons
Visa fler nyheter
2019-01-17 14:20 V11.11.0-2