L’importanza di avere un piano di riserva

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Qualsiasi sistema elettronico deve continuare a rimanere funzionante indipendentemente dalle condizioni operative esterne; quando lo si progetta è necessario quindi tenere conto di qualsiasi eventuale anomalia del suo alimentatore, che sia momentanea o duri alcuni secondi o anche minuti. Il modo più frequente per far fronte a tali circostanze consiste nell’usare gruppi di continuità per prevenire questi brevi tempi di fermo, assicurando così il funzionamento continuo, con elevata affidabilità, del sistema. Analogamente, molti degli attuali sistemi di stand-by e di emergenza vengono impiegati per garantire alimentazione di riserva agli impianti presenti in edifici per far sì che i sistemi di sicurezza e le apparecchiature cruciali rimangano in funzione durante un’interruzione della corrente di rete. È quindi necessaria una forma alternativa di alimentazione, nell’eventualità di un’interruzione del funzionamento dell’alimentatore principale; ossia, è necessario un piano di riserva nel caso che la potenza di alimentazione principale non sia presente, qualunque ne sia il motivo.


Elementi per immagazzinare l’energia

Cosa si può utilizzare come elemento di immagazzinamento di tale energia? Tradizionalmente, la scelta è stata limitata ai condensatori e alle batterie. La tecnologia dei condensatori da vari decenni svolge un ruolo importante in applicazioni di trasmissione ed erogazione della potenza. Per esempio, i tradizionali condensatori a olio e a film sottile hanno svolto un’ampia gamma di funzioni, come la correzione del fattore di potenza e il bilanciamento della tensione. Tuttavia, l’ultimo decennio ha visto una notevole attività di ricerca e sviluppo che si è tradotta in progressi notevoli nella progettazione dei condensatori; i più avanzati sono stati denominati supercondensatori (o ultracondensatori) e sono ideali per l’uso nei sistemi di alimentazione a batteria e di riserva. Un supercondensatore non è altro che un condensatore con capacità elevatissima. Rispetto ai normali condensatori offre densità di energia superiore e capacità maggiore con peso e fattore di forma simili. E sebbene i supercondensatori richiedano accorgimenti particolari per l’uso ottimale, stanno completando o sostituendo le batterie in sistemi di memorizzazione dei dati che richiedono alimentazione di riserva di breve durata e alta corrente. Inoltre, iniziano a essere utilizzati in un’ampia gamma di dispositivi portatili e con elevata potenza di picco che hanno bisogno di burst di corrente elevati o di una batteria tampone per brevi periodi, come gruppi di continuità. Rispetto alle batterie, i supercondensatori offrono burst di corrente di picco più elevati con fattori di forma inferiori e presentano una durata del ciclo di carica più lunga in un intervallo di temperature di funzionamento più ampio. La loro durata può essere massimizzata riducendone la tensione di top-off ed evitando temperature elevate. Le batterie, d’altro canto, possono immagazzinare livelli elevati di energia, ma soffrono di limitazioni per quanto riguarda la densità e l’erogazione della potenza. A causa delle reazioni chimiche che si sviluppano all’interno delle batterie, queste hanno durata limitata in relazione al funzionamento ciclico. Presentano quindi la massima efficacia quando erogano quantità di energia modeste in un lungo periodo di tempo, poiché l’erogazione di una corrente elevata in tempi brevissimi da una batteria ne limita gravemente la durata. Una volta stabilito che i supercondensatori, le batterie o una combinazione di entrambi sono idonei per l’uso come alimentatori di riserva in quasi ogni sistema elettronico, ci chiediamo quali siano le soluzioni disponibili per quanto riguarda i circuiti integrati. Linear Technology offre un’ampia gamma di circuiti integrati progettati specificamente per rispondere a questa esigenza applicativa, come l’LTC4040, l’LTC3643 e l’LTC3110.

Un sistema di gestione dell’alimentazione di riserva

L’LTC4040 è un sistema completo di gestione dell’alimentazione di riserva mediante batterie al litio concepito per linee di alimentazione a tensione compresa fra 3,5 e 5 V che devono rimanere attive durante un’interruzione della corrente di rete. Le batterie forniscono energia in quantità notevolmente maggiore rispetto ai supercondensatori, così che sono superiori per applicazioni che richiedono alimentazione di riserva per lunghi periodi di tempo. L’LTC4040 è dotato di un convertitore sincrono bidirezionale su chip per assicurare la carica della batteria con elevata efficienza oltre a potenza di riserva a elevata efficienza e corrente. Quando è disponibile potenza esterna, il dispositivo funziona come un caricabatteria in discesa per batterie agli ioni di litio o a LiFePO4 a cella singola, mentre dà priorità al carico del sistema. Quando la tensione di alimentazione in ingresso scende sotto la soglia Pfi (Power-fail input) regolabile, l’LTC4040 funziona come un regolatore in salita in grado di applicare sino a 2,5 A all’uscita del sistema utilizzando la batteria di riserva. Durante un evento di interruzione dell’alimentazione, il circuito di controllo PowerPath del dispositivo attua un bloccaggio inverso e una perfetta commutazione tra il circuito di alimentazione in ingresso e quello di riserva. Sono applicazioni tipiche dell’LTC4040 il monitoraggio di beni e parchi macchine, data logger Gps in autoveicoli, sistemi telematici per il settore automotive, sistema di raccolta dei pedaggi, sistemi di sicurezza e di comunicazione, dispositivi di riserva industriali e dispositivi alimentati tramite interfaccia Usb. In Fig. 1 è illustrato un tipico schema applicativo. L’LTC4040 include anche un circuito opzionale di protezione dalla sovratensione che mediante un Fet esterno impedisce che il circuito integrato sia sottoposto a tensione d’ingresso maggiore di 60 V. La sua funzione di limitazione regolabile della corrente d’ingresso consente il funzionamento quando si usa un generatore limitato in corrente mentre dà priorità alla corrente di carico del sistema rispetto alla corrente di carica della batteria. Un interruttore di scollegamento esterno isola dal sistema il circuito di alimentazione principale quando si inserisce il circuito di alimentazione di riserva. Il caricabatteria da 2,5 V dell’LTC4040 permette di selezionare fra otto tensioni di carica ottimizzate per batterie agli ioni di litio e a LiFePO4. Il dispositivo include anche un circuito di monitoraggio della corrente d’ingresso, un indicatore dell’attenuazione di potenza in ingresso e un indicatore dell’attenuazione di potenza del sistema.

Boost di carica ad alta tensione

L’LTC3643 è un dispositivo boost di carica di condensatori ad alta tensione che si trasforma automaticamente in un regolatore buck quando si inserisce il sistema di alimentazione di riserva. La topologia proprietaria a induttore singolo, con funzionalità PowerPath integrata, assicura le funzioni di due regolatori a commutazione separati, riducendo le dimensioni, il costo e complessità. L’LTC3643 offre due modalità di funzionamento: di carica e di alimentazione di riserva. Nella modalità di carica, il dispositivo carica con efficienza una schiera di condensatori elettrolitici fino a 40 V
e corrente massima di 2 A, continuamente, utilizzando una tensione di alimentazione all’ingresso compresa fra 3 e 17 V. Nella modalità di alimentazione di riserva - quando la tensione di alimentazione scendo sotto la soglia Pfi programmabile - il circuito di carica in salita funziona in modalità inversa, come regolatore in discesa sincrono, per applicare e mantenere costante la tensione del sistema utilizzando i condensatori di riserva. In tale modalità, il limite di corrente è programmabile da 2 a 4 A, rendendo il dispositivo ideale per sistemi di condensatori di riserva di durata relativamente breve e ad alta energia, sistemi di riserva che si inseriscono in caso di interruzione della corrente di rete, azionamenti a stato solido e applicazioni di carica di set di batterie. Nella Fig. 2 è riportato uno schema applicativo semplificato. Quando viene caricato il condensatore di riserva, l’LTC3643 può utilizzare un resistore esterno di rilevazione del basso valore della tensione per mantenere un limite di corrente preciso in base al circuito di alimentazione in ingresso, mentre dà priorità all’erogazione della potenza al carico del sistema. Il limite della corrente d’ingresso è programmabile con un resistore di rilevamento della soglia di 50 mV, prevenendo il sovraccarico dell’alimentatore del sistema mentre riduce al minimo il tempo di ricarica del condensatore. Il convertitore funziona a una frequenza di 1 MHz, riducendo al minimo le dimensioni dei componenti esterni. Il funzionamento Burst Mode a bassa corrente di riposo durante la regolazione assicura il massimo uso dell’energia erogata dal condensatore di riserva. L’LTC3643 fornisce un funzionamento con diodo ideale all’ingresso di alimentazione applicando un segnale di comando del gate a un interruttore Pmos esterno, consentendo un’erogazione efficiente della potenza mentre assicura isolamento completo fra il circuito di alimentazione e il carico del sistema nella modalità di alimentazione di riserva.

Circuito di carica per supercondensatori

L’LTC3110 è un circuito di carica per supercondensatori buck-boost a corrente d’ingresso programmabile, bidirezionale, con bilanciamento attivo di carica per uno o due supercondensatori in serie. La sua topologia buck-boost a basso rumore assicura le funzioni di due regolatori a commutazione separati, riducendo le dimensioni, il costo e complessità. L’LTC3110 offre due modalità di funzionamento: di carica e di alimentazione di riserva. In quest’ultima, il dispositivo mantiene una tensione di sistema, Vsys, compresa fra 1,71 e 5,25 V, grazie all’energia accumulata dai supercondensatori. Inoltre, l’ingresso di immagazzinamento dell’energia del supercondensatore, Vcap, presenta un ampio intervallo operativo così che tutta l’energia accumulata nel supercondensatore viene utilizzata, prolungando i tempi di alimentazione di riserva o consentendo di ridurre le dimensioni dei condensatori di immagazzinamento dell’energia. Alternativamente, nella modalità di carica, quando il sistema di alimentazione principale è inserito, l’LTC3110 può invertire autonomamente o mediante un comando dell’utente la direzione del flusso di potenza utilizzando la tensione del sistema regolata per caricare e bilanciare i supercondensatori. VCcap viene caricata con efficienza a una tensione maggiore o minore di Vsys dal circuito Pwm buck-boost. Nella modalità di carica il dispositivo presenta anche un limite della corrente d’ingresso media programmabile sino a 2A con precisione pari a ±2%, prevenendo il sovraccarico del generatore di corrente del sistema e al tempo stesso riducendo al minimo il tempo di ricarica del condensatore. La Fig. 3 illustra la funzionalità dell’LTC3110 in un’applicazione di alimentazione di riserva. Il bilanciamento di carica attivo dell’LTC3110 elimina la perdita costante di corrente da resistori ballast esterni dissipativi, assicurando la carica anche con condensatori disadattati e cicli di ricarica meno frequenti. La regolazione della tensione massima dei condensatori, programmabile, bilancia e limita attivamente a metà del valore programmato la tensione ai capi di ciascun condensatore nel gruppo in serie, garantendo un funzionamento affidabile mentre i condensatori invecchiano e si sviluppa un disadattamento tra le loro capacità. Gli interruttori sincroni a basso livello di carica del gate e bassa Rds(on) offrono elevata efficienza di conversione per ridurre al minimo il tempo di carica degli elementi di immagazzinamento dell’energia. La tensione massima dei condensatori e il limite della corrente d’ingresso dell’LTC3110 sono programmabili tramite resistori. La corrente d’ingresso media è controllata con precisione in un intervallo di programmazione da 0,125 a 2A. Il funzionamento Burst Mode selezionabile con pin migliora l’efficienza a bassi carichi e riduce la corrente di stand-by ad appena 40 µA, con corrente di arresto minore di 1 µA. Altre funzioni dell’LTC3110: elevata frequenza di commutazione per ridurre al minimo le dimensioni dei componenti esterni, protezione dai sovraccarichi termici, due soglie di supervisione di tensione per il controllo della direzione del flusso di potenza e della fine della carica, nonché un comparatore universale con uscita a collettore aperto per l’interfacciamento con un microcontrollore o un microprocessore.

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