Solución de carga de banco de supercondensadores

Se muestra un diagrama de bloques de una solución de alta eficiencia donde la carga es un dispositivo que requiere un voltaje de entrada estable (3.3V, 5V, 12V, etc.). La fuente de alimentación de 48 V alimenta el regulador de conmutación 2 (SW2) que funciona normalmente mientras carga el banco de supercondensadores a través del regulador de conmutación 1 (SW1) a un voltaje de 25 V, cuando se desconecta la alimentación principal, el banco de supercondensadores suministra energía a SW2 para mantener el funcionamiento continuo. de la carga.

Después de seleccionar el supercondensador, el ingeniero del sistema también debe seleccionar el voltaje objetivo para cargar el supercondensador según la curva de clasificación del supercondensador. La mayoría de las unidades de supercondensadores están clasificadas para 2.5V-3.3V a temperatura ambiente, y esta clasificación cae a temperaturas más altas, lo que a su vez conduce a una mayor esperanza de vida. Generalmente, el valor de ajuste del voltaje objetivo de carga debe ser menor que el voltaje nominal máximo para extender la vida útil del supercondensador.

A continuación, debe seleccionar el voltaje esperado y la topología SW2 para el banco de supercondensadores. La configuración del banco de supercondensadores puede ser una combinación en serie de condensadores en serie de paralelo, serie o paralelo. Dado que la clasificación de voltaje del capacitor de la celda es típicamente menor a 3.3V y la carga a menudo requiere voltajes de suministro iguales o mayores, la opción para la configuración de la celda del capacitor y SW2 es usar una celda del capacitor con un convertidor elevador, o múltiples en la unidad de capacitor serie A un regulador buck o buck-boost. Si se utiliza una configuración de refuerzo, debemos asegurarnos de que el voltaje no caiga por debajo del voltaje de entrada de funcionamiento mínimo de SW2 cuando se descarga el supercondensador. Esta caída de voltaje puede ser hasta la mitad del voltaje de carga del supercondensador. Con este fin, damos un ejemplo de un banco de supercondensadores que consta de una combinación de supercondensadores en serie y un regulador reductor simple (SW1). Luego, si así lo requieren los requisitos de energía, se conectarán en paralelo múltiples cadenas de condensadores en serie.

Si se selecciona una combinación en serie de supercondensadores, la cantidad de celdas de condensadores utilizadas debe seleccionarse en función del voltaje máximo esperado en la parte superior de la cadena de condensadores. Más capacitancia en serie significa que la cadena de supercondensadores tiene una capacitancia más pequeña y un voltaje más alto. Por ejemplo, suponga que elige utilizar dos cadenas de condensadores que constan de cuatro condensadores de 2.7V10F y una cadena de condensadores que consta de ocho condensadores idénticos (en serie). Si bien las dos configuraciones pueden almacenar la misma carga y energía totales, el rango de voltaje disponible de la cadena de condensadores hace que una sola cadena en serie sea ventajosa. Por ejemplo, si hay una carga que requiere una polarización de 5 V, entonces SW2 requiere un voltaje de alrededor de 6 V (dado su ciclo de trabajo máximo y otros factores de presión diferencial).

● Energía en el condensador W = CV2 / 2, energía disponible W = C / 2 (Vcharge2-Vdicharge2)

● Para dos cadenas de condensadores de 4 condensadores por cadena, la energía disponible W = 2 * [(10F / 4) / 2 * ((2.7V * 4) 2-6V2)] = 201.6J

● Para una sola cadena de condensadores que contiene 8 condensadores (en serie), la energía disponible W = 1 * [(10F / 8) / 2 * ((2.7V * 8) 2-6V2)] = 269.1J

Dado que los dos bancos de condensadores pueden almacenar la misma energía total, menor será el porcentaje de carga / desactivación de la cadena de condensadores de menor voltaje. En este caso, se prefiere un voltaje de cadena de condensadores más alto para aprovechar el supercondensador.

El tercer desafío del sistema proviene de cómo cargar el banco de supercondensadores. Inicialmente, cuando el voltaje del supercondensador es cero, debido al alto valor de capacitancia, el SW1 necesita funcionar durante mucho tiempo en condiciones similares al cortocircuito de salida. El SW1 convencional puede estar bloqueado en modo dormido y no puede cargar el supercondensador. Para proteger el supercondensador y SW1, se requiere una limitación de corriente adicional al comienzo de la fase de carga. Una solución satisfactoria es permitir que SW1 proporcione una corriente de carga continua durante un largo período de tiempo casi sin voltaje de salida.

Hay muchas formas de cargar un supercondensador. Corriente constante / voltaje constante (CICV) es el método preferido de elección, como se muestra en la Figura 2 (curva CIVE). Al comienzo del ciclo de carga, el dispositivo de carga (SW1) opera en un modo de corriente constante, proporcionando una corriente constante al supercondensador de manera que su voltaje aumenta linealmente. Cuando el supercondensador se carga al voltaje objetivo, el bucle de voltaje constante se activa y controla con precisión el nivel de carga del supercondensador para mantenerlo constante y evitar la sobrecarga. Nuevamente, esta solución priorizada también aborda los requisitos para las funciones de administración de energía que deben tenerse en cuenta en el diseño.

Tomando la Figura 1 como ejemplo, en el caso de una fuente de alimentación principal de 48 V, un voltaje de banco de supercondensadores de 25 V y un voltaje de carga de 3,3 V, 5 V, 12 V, etc., es apropiado seleccionar una función reductora síncrona para SW1 y SW2. Dado que el principal desafío está relacionado con la carga de supercondensadores, la elección de SW1 es muy importante. La solución ideal para SW1 requiere que las funciones de administración de energía operen a una entrada alta (48 V) y salida (25 V) mientras proporcionan modulación CICV.

Ejemplo de solución de cargador de supercondensador

Para ilustrar el comportamiento de carga del supercondensador, tomamos el regulador reductor síncrono como ejemplo. Explique sus problemas y soluciones clave, y use formas de onda experimentales para ayudar a comprender.

La Figura 3 muestra un esquema simplificado de un regulador reductor síncrono que implementa el modo CICV controlado por el ISL78268 de Intersil. Para cargar el banco de supercondensadores a 25V bajo control CICV, se consideraron las siguientes funciones al seleccionar el controlador:

1. Controlador reductor síncrono que puede operar en VIN> = 48V y VOUT "= 25V.

2. Capacidad de ajuste de corriente constante y voltaje constante, que puede cambiar automáticamente el modo de ajuste.

3. Implemente una entrada de detección de corriente precisa en el rango de voltaje de suministro del sistema para lograr el modo CI. Con referencia a la Figura 3, el controlador detecta la corriente continua del inductor, es decir, la corriente de carga. El amplificador de detección de corriente del controlador debe poder soportar el voltaje de modo común, que es de 25 V en este ejemplo.

Un pequeño diagrama de bloques funcional del controlador reductor síncrono ISL78268

La Figura 4 muestra un pequeño diagrama de bloques funcional del controlador reductor síncrono ISL78268. Como se muestra, hay dos amplificadores de error independientes, etiquetados Gm1 y Gm2, para lograr un voltaje constante (Gm1) y una corriente constante (Gm2).

El amplificador de error Gm1 se utiliza para el control de circuito cerrado de CV. Compara el voltaje de retroalimentación de FB con el voltaje de referencia interno de 1.6V y produce un voltaje de error en el pin COMP. El pin FB está conectado desde el voltaje de salida a un divisor de resistencia y se establece en un voltaje FB de 1.6V cuando el voltaje de salida está en el nivel de voltaje esperado. El voltaje COMP representa entonces la diferencia entre el voltaje de salida esperado y el voltaje de salida real. Luego, el COMP se compara con la corriente del inductor para generar una señal PWM para controlar que el voltaje de salida permanezca constante.

El amplificador de error Gm2 se utiliza para el control de circuito cerrado de CI. Compara el voltaje del pin IMON / DE con el voltaje de referencia interno de 1.6V y produce un voltaje de error en el pin COMP. El voltaje del pin IMON / DE se genera internamente y representa el valor de carga de corriente del inductor de salida promedio. Por lo tanto, el voltaje COMP está activo cuando se activa el bucle Gm2 (el diodo entre las salidas de Gm1 y Gm2 selecciona efectivamente qué bucle está activo) para representar la diferencia entre la corriente de salida esperada y la corriente de salida real. Luego, el COMP se compara con la corriente del inductor para generar una señal PWM para controlar que el voltaje de salida permanezca constante.

En la fase de carga antes de que el voltaje del supercondensador alcance el voltaje objetivo, el pin COMP es impulsado por la salida de Gm2 para generar una salida PWM para el control de CI. Cuando el voltaje del supercondensador alcanza el valor objetivo, la corriente de carga disminuye, lo que hace que el voltaje del pin IMON / DE caiga y el bucle CI se desconecte (cuando IMON / DE "1.6V), por lo que el bucle CV naturalmente asume el control de COMP, por lo tanto, mantenga constante la tensión de salida.

El controlador reductor ISL78268 cuenta con un controlador PWM de modo de corriente pico (un modulador de corriente pico ciclo por ciclo confiable) y un bucle de corriente promedio constante externo que es ideal para la carga de supercondensadores.

Ahora, podemos centrarnos en la implementación de carga de supercondensadores implementada. Las Figuras 5, 6 y 7 muestran las formas de onda experimentales de un controlador reductor síncrono controlado por el ISL78268 para cargar un banco de supercondensadores (condensador de la serie de 12 bandas 50F / 2.7V). El supercondensador se cargará a 25 V de la red.

La Figura 5 muestra múltiples etapas de carga del supercondensador. Inicialmente, en la primera fase, la señal de corriente promedio en el pin IMON / DE de Vo es casi 0. ISL78268 no ha alcanzado 1.6V (el valor de referencia de la corriente de carga esperada), por lo que el lazo CI aún no se ha activado. En esta etapa, la corriente máxima del inductor se limita ciclo a ciclo a un umbral OC fijo. Al comienzo de la fase de carga donde VOUT está en un nivel bajo (FB "0.4V", la frecuencia de conmutación máxima está limitada a 50 kHz para evitar el problema de fuga del inductor mencionado debido al límite de corriente pico en VOUT bajo.

La figura 6 muestra una vista ampliada de la forma de onda de la primera etapa. La fase 2 comienza cuando el voltaje del pin IMON / DE (trazo amarillo) alcanza 1.6V. En esta etapa, el bucle CI se enciende y baja la señal COMP (trazo cian) para comenzar a estabilizar la corriente de salida y mantener constante el voltaje del pin IMON / DE. El voltaje del pin IMON / DE representa la señal de corriente de salida promedio detectada. La forma de onda IL (trazo verde) muestra que la corriente promedio se controla a un nivel constante en la fase 2. La forma de onda del voltaje de salida (trazo rosa) muestra que el supercondensador se carga linealmente mediante una corriente de carga constante.

La fase 3 comienza con un voltaje de 0.4V detectado en el pin FB (Figura 7). Después de este disparo, el bucle de estabilización de corriente constante se activará por completo, por lo que la frecuencia de conmutación se puede ajustar automáticamente a 300 kHz preprogramados. A frecuencias de conmutación más altas, la ondulación de la corriente del inductor (trazo verde) se reduce significativamente. El voltaje de salida (trazo rosa) continúa aumentando linealmente, lo que indica que el supercondensador está cargado linealmente.

Volviendo a la Figura 5, la tercera etapa finaliza cuando Vo alcanza un voltaje objetivo de 25V. En este punto, el lazo CV se enciende y el voltaje de salida se estabiliza. El bucle de corriente promedio está roto. La Figura 5 muestra que el voltaje de salida (trazo rosa) es plano y la corriente del inductor se reduce, la corriente del pin IMON / DE, que representa la corriente de carga promedio, también cae, lo que indica el final del proceso de estabilización de corriente constante.

Conclusión

Los supercondensadores se utilizan como soluciones de almacenamiento de energía en productos automotrices, industriales y de consumo debido a sus características físicas inherentes en comparación con las baterías tradicionales. Para maximizar la energía almacenable del banco de supercondensadores, la mejor solución suele ser conectar múltiples celdas de supercondensadores en serie para lograr un voltaje de grupo de alta capacitancia. Al cargar, es mejor usar el método CICV para limitar la alta corriente generada por la baja ESR durante la carga del supercondensador a un voltaje constante. La corriente constante también permite controlar la pérdida de carga, lo que reduce la cantidad de calor generado y prolonga la vida útil del supercondensador. Por lo tanto, es beneficioso que el circuito de carga tolere altos voltajes y proporcione funciones de control CICV.

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