Circuito di carica per supercondensatori

Un supercondensatore, condensatore a doppio strato o ultracondensatore, non è semplicemente un condensatore di altissima capacità. Rispetto ai normali condensatori ceramici, al tantalio o elettrolitici, offre densità di energia superiore e capacità maggiore con peso e fattore di forma simili. Mentre il loro costo di produzione continua a diminuire e il mercato viene esposto alle loro funzionalità, i supercondensatori si stanno creando una nicchia sempre maggiore tra i condensatori convenzionali e le batterie. E sebbene richiedano accorgimenti particolari per l’uso ottimale, stanno accrescendo (come sistema di alimentazione complementare per ridurre le “sollecitazioni” applicate all’impianto di alimentazione principale, quindi prolungandone la durata) - o anche sostituendo - le batterie in sistemi di memorizzazione dei dati che richiedono alimentazione di riserva di breve durata o 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 (>50°C).

La progettazione dei supercondensatori

I supercondensatori presentano molti vantaggi; tuttavia, per quanto riguarda la carica di accumulatori di energia collegati in serie, il progettista del sistema finale può dover far fronte a problemi di bilanciamento delle celle, danni alle celle dovuti a sovratensione durante la carica, assorbimento eccessivo di corrente e un ingombro notevole quando lo spazio è cruciale. Il bilanciamento delle celle di condensatori collegati in serie assicura che la tensione ai capi di ciascun cella sia circa identica; il mancato bilanciamento delle celle di un supercondensatore può causare danni da sovratensione. Una soluzione a questo problema è costituita da circuiti esterni con un resistore di bilanciamento per cella; il valore di tale resistore dipende sia dalla temperatura di funzionamento che dall’andamento della carica/scarica del supercondensatore. Per limitare l’effetto dell’assorbimento di corrente dovuto ai resistori di bilanciamento sull’accumulazione di energia nel supercondensatore, i progettisti possono utilizzare, alternativamente, un circuito di bilanciamento attivo a corrente molto bassa. Un’altra causa di disadattamento fra le celle del condensatore è costituita dalle differenze nella corrente di dispersione, che inizialmente ha un valore notevole e diminuisce nel corso del tempo. Ma se la corrente di dispersione è diversa tra le varie celle in serie, queste possono essere sottoposte a una sovratensione durante la ricarica a meno che il progettista non elimini la differenza tra le varie correnti di dispersione mediante i resistori di bilanciamento, che però gravano il circuito del sistema con componenti e correnti di carico indesiderati.

Circuiti integrati di carica dei supercondensatori

Alcuni dei problemi più difficili a cui un progettista deve far fronte all’inizio del progetto del circuito di carica di un condensatore derivano dalla necessità di conseguire:

Funzioni di alimentazione di riserva - I condensatori d’immagazzinamento dell’energia di cui consiste un supercondensatore in definitiva forniscono l’energia immagazzinata come riserva in caso di guasto della linea di alimentazione principale; ne consegue che in genere sono necessari due convertitori di potenza separati: il primo per caricare i supercondensatori e il secondo per mantenere funzionale la linea di alimentazione principale mediante l’energia immagazzinata nei supercondensatori. Un singolo convertitore che svolga entrambe queste funzioni è ideale; tuttavia, deve funzionare in modalità bidirezionale, rilevare quando l’alimentazione principale è assente e passare in modo assolutamente regolare dall’una all’altra delle due modalità – di carica e di alimentazione di riserva – in un ampio intervallo di funzionamento per far sì che sia utilizzata tutta l’energia di riserva disponibile.

Corrente di carica elevata e ad alta efficienza - Un circuito di bilanciamento/carica di un supercondensatore buck-boost ad alta corrente ed efficienza può includere tutte le caratteristiche e funzionalità necessarie per sfruttare i vantaggi dei supercondensatori, mentre soluzioni discrete, sebbene possibili, sono complicate, con ingombro maggiore ed efficienza minore, e sono meno precise.

Elevata precisione e funzionalità di condivisione del carico - Il limite della corrente d’ingresso con precisione di ±2% e la condivisione del carico d’ingresso fanno sì che più carichi possano condividere la completa funzionalità dello stesso generatore di corrente con margine/riduzione minimi della corrente nominale, mentre con una soluzione discreta, questa funzionalità non è realizzabile.

Bilanciamento attivo - La maggior parte dei sistemi a supercondensatore utilizza il bilanciamento dissipativo (con resistori). Il bilanciamento attivo trasferisce continuamente la carica fra i condensatori, eliminando le perdite di potenza e la necessità di cicli di ricarica successivi con metodi dissipativi.

Una soluzione per la carica dei supercondensatori che impieghi circuiti integrati buck-boost, risolvendo i problemi già delineati, deve presentare tutte queste caratteristiche:

•assicura alimentazione di riserva oltre a caricare i supercondensatori;

•flessibilità: deve funzionare con efficienza in modalità di salita o discesa;

•esegue un bilanciamento di carica attivo con tensione massima del condensatore programmabile;

•assicura un’elevata corrente di carica;

•presenta un limite programmabile della corrente d’ingresso media;

•è compatta, a profilo basso, con ingombro ridotto;

•è fornita in un contenitore avanzato per offrire migliori prestazioni termiche ed efficienza nell’utilizzo dello spazio disponibile.

Un nuovo circuito integrato risponde a tutte le esigenze

L’LTC3128 di Linear Technology 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 la complessità. L’TC3110 offre due modalità di funzionamento: di carica e di alimentazione di riserva. In quest’ultima, il circuito integrato mantiene una tensione di sistema, Vsys, compresa fra 1,71 e 5,25 V, grazie all’energia immagazzinata dai supercondensatori. Inoltre, l’ingresso di immagazzinamento dell’energia del supercondensatore, Vcap, presenta un ampio intervallo operativo - da 5,5V o meno, sino a 0,5 V - così che praticamente tutta l’energia immagazzinata nel supercondensatore viene utilizzata, prolungando i tempi di alimentazione di riserva o consentendo di ridurre le dimensioni dei condensatori di immagazzinamento. Alternativamente, nella modalità di carica, quando il sistema di alimentazione principale è inserito, l’LTC3110 può invertire autonomamente (o mediante un comando dell’utente) e in modo assolutamente regolare la direzione del flusso di potenza utilizzando la tensione del sistema regolata per caricare e bilanciare i supercondensatori. Vcap viene caricata con efficienza a una tensione maggiore o minore di VSYS dal convertitore 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 il tempo di ricarica del condensatore. Il bilanciamento di carica attivo dell’LTC3110 elimina la perdita costante di corrente da resistori ballast esterni dissipativi, assicurando un funzionamento bilanciato e la carica anche con condensatori disadattati nonché cicli di ricarica meno frequenti. La regolazione della tensione massima dei condensatori programmabile bilancia e limita attivamente la tensione a capi di ciascun condensatore nel gruppo in serie a 1/2 del valore programmato, garantendo un funzionamento affidabile mentre i condensatori invecchiano e si sviluppa un disadattamento tra le loro capacità. Gli interruttori sincroni a basso 5 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 accumulazione dell’energia. L’LTC3110 risulta quindi ideale per la carica in sicurezza e la protezione di grandi condensatori per l’impiego con server, sistemi Raid e sistemi a radiofrequenza quando l’alimentazione di riserva deve essere fornita da condensatori/batterie. 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 2 A. Il funzionamento Burst Mode selezionabile con pin migliora l’efficienza a bassi carichi e riduce la corrente di standby ad appena 45 μA, con corrente di arresto minore di 1 μA. Altre funzioni dell’LTC3110: elevata frequenza di commutazione - 1,2 MHz - 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 la fine della carica, nonché un comparatore universale con uscita a collettore aperto per l’interfacciamento con un microcontrollore o un microprocessore. L’LTC3110 è ospitato in un compatto contenitore Tssop o Qfn da 4 x 4 mm a 24 conduttori, dotato di dissipatori avanzati; entrambi i contenitori sono utilizzabili nell’intervallo di temperatura “grade H”, ossia da -40°C a +150°C.

Carica efficiente

Un algoritmo di commutazione proprietario assicura transizioni assolutamente regolari tra le modalità di funzionamento ed elimina discontinuità nella corrente media dell’induttore, nel ripple della corrente dell’induttore e nella funzione di trasferimento dell’anello. Questi vantaggi comportano un incremento dell’efficienza, stabilità dell’anello migliorata e ripple ridotto della tensione Vsys in confronto al tradizionale convertitore buck-boost a 4 interruttori. Due interruttori (C e D) collegano SW2 a VSYS per assicurare elevata efficienza nell’intero intervallo della tensione di uscita. L’LTC3110 presenta efficienza altissima, pari quasi al 95%.

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