Utiliser un seul supercondensateur comme alimentation de secours pour une alimentation de 5 volts

Autrefois limitées aux équipements critiques, les solutions d'alimentation de secours sont désormais exigées pour de nombreuses applications électroniques dans les produits finis industriels, commerciaux et grand public. S'il existe plusieurs options, le supercondensateur offre la solution la plus compacte et la plus dense en énergie comme réserve d'énergie lorsque l'alimentation principale est interrompue. Par exemple, lors d'une panne de courant ou du remplacement des batteries.

Cependant, les supercondensateurs impliquent des défis de conception, car chaque dispositif ne peut fournir qu'une tension maximum de 2,7 V. Cela signifie potentiellement que plusieurs supercondensateurs sont nécessaires — chacun avec l'équilibrage de cellules associé et des convertisseurs de tension élévateurs (survolteurs) ou abaisseurs (dévolteurs) — pour fournir une alimentation régulée à un rail d'alimentation de 5 V. Il en résulte un circuit complexe et nuancé, relativement coûteux et occupant un espace carte excessif.

Cet article compare les batteries et les supercondensateurs, et explique pourquoi ces derniers offrent plusieurs avantages techniques pour les applications électroniques compactes, basse tension. L'article montre ensuite comment concevoir une solution simple et pratique pour alimenter un rail de 5 V à l'aide d'un seul condensateur combiné à un convertisseur de tension abaisseur-élévateur réversible.

Comparaison des batteries et des supercondensateurs

L'alimentation sans coupure est devenue incontournable pour une expérience utilisateur satisfaisante avec les appareils électroniques modernes. Sans alimentation constante, les produits électroniques cessent non seulement de fonctionner, mais ils peuvent également perdre des informations vitales. Par exemple, un PC branché sur le secteur perdra les données contenues dans sa mémoire RAM volatile en cas de coupure de courant. Ou encore, une pompe à insuline peut perdre d'importantes mesures de glycémie contenues en mémoire volatile lors du remplacement de la batterie.

Pour éviter ce problème, il est possible d'intégrer une batterie de secours qui stocke de l'énergie qui peut ensuite être libérée si la source principale d'énergie fait défaut. Les batteries lithium-ion (Li-ion) sont une technologie mature et offrent une très bonne densité d'énergie, permettant à un dispositif relativement compact d'offrir une alimentation de secours pendant de longues périodes.

Mais quelle que soit leur composition chimique de base, toutes les batteries présentent des caractéristiques distinctes qui peuvent poser problème dans certaines circonstances. Par exemple, elles sont relativement lourdes, leur temps de recharge est relativement long (ce qui peut poser problème en cas de fréquentes coupures de courant), les cellules ne peuvent être rechargées qu'un nombre limité de fois (ce qui augmente les coûts de maintenance) et les produits chimiques à partir desquels elles sont fabriquées peuvent présenter des risques pour la sécurité et l'environnement.

Une solution alternative pour l'alimentation de secours est le supercondensateur, également connu sous le nom d'ultracondensateur. Un supercondensateur est techniquement connu comme un condensateur à double couche électrique (EDLC). Le dispositif est construit à l'aide d'électrodes en carbone positives et négatives, symétriques et électrochimiquement stables. Ces électrodes sont séparées par un séparateur isolant perméable aux ions, intégré dans un conteneur rempli d'un électrolyte sel/solvant organique. L'électrolyte est conçu pour maximiser la conductivité ionique et le mouillage des électrodes. La combinaison d'électrodes en charbon actif à haute surface active et d'une séparation de charge extrêmement faible résulte en la capacité beaucoup plus élevée d'un supercondensateur, par rapport aux condensateurs classiques (Figure 1).

Figure 1 : Un supercondensateur utilise des électrodes en carbone positives et négatives symétriques, séparées par un séparateur isolant perméable aux ions immergé dans un électrolyte. La combinaison d'électrodes à haute surface active et d'une séparation de charge extrêmement faible résulte en une capacité élevée. (Source de l'image : Maxwell Technologies)

La charge est stockée électrostatiquement par adsorption réversible de l'électrolyte sur les électrodes en carbone à haute surface active. La séparation de charge se produit lors de la polarisation à l'interface électrode/électrolyte, produisant la double couche éponyme. Ce mécanisme est hautement réversible, permettant au supercondensateur d'être chargé et déchargé des centaines de milliers de fois, bien qu'on constate une certaine réduction de la capacité au fil du temps.

Étant donné que les supercondensateurs s'appuient sur le mécanisme électrostatique pour stocker l'énergie, leurs performances électriques sont plus prévisibles que celles des batteries, et leurs matériaux de construction les rendent plus fiables et moins vulnérables aux variations de température. Sur le plan de la sécurité, les supercondensateurs contiennent moins de matériaux volatils que les batteries et peuvent être entièrement déchargés pour un transport en toute sécurité.

Un autre avantage est que, par rapport aux batteries secondaires, les supercondensateurs se rechargent beaucoup plus rapidement. Ainsi, en cas de nouvelle coupure de courant peu après la première panne, une alimentation de secours est immédiatement disponible, et ils ne peuvent pas être surchargés. Les supercondensateurs peuvent également tolérer beaucoup plus de cycles de charge, ce qui réduit les coûts de maintenance.

De plus, les supercondensateurs offrent une densité de puissance (mesure de la quantité d'énergie pouvant être stockée ou délivrée par unité de temps) bien supérieure à celle des batteries. Cela garantit non seulement une charge rapide, mais permet également des rafales de courant élevé si nécessaire, ce qui permet de les utiliser comme alimentation de secours dans un plus grand nombre d'applications (Figure 2). Les supercondensateurs présentent également une résistance série équivalente (ESR) beaucoup plus faible que les batteries. Cela leur permet de fournir une alimentation de manière plus efficace sans risque de surchauffe. Le rendement de conversion de puissance des supercondensateurs est généralement supérieur à 98 %.

Figure 2 : Les batteries rechargeables peuvent fournir une alimentation pendant de longues périodes à des courants modestes, mais leur recharge prend beaucoup de temps. En revanche, les supercondensateurs (ou ultracondensateurs) se déchargent rapidement avec un courant élevé mais se rechargent également rapidement. (Source de l'image : Maxwell Technologies)

Le principal inconvénient des supercondensateurs est leur densité d'énergie (mesure de la quantité d'énergie stockée par unité de volume) relativement faible par rapport aux batteries rechargeables. La technologie actuelle permet à une batterie Li-ion de stocker vingt fois plus d'énergie qu'un supercondensateur de même volume. L'écart se réduit à mesure que de nouveaux matériaux améliorent les supercondensateurs, mais il devrait rester important pendant de nombreuses années. Un autre inconvénient notable des supercondensateurs est leur coût relativement élevé par rapport aux batteries Li-ion.

Considérations de conception pour les supercondensateurs

Si un produit électronique doit s'appuyer sur un supercondensateur pour son alimentation de secours, il est essentiel que le concepteur comprenne comment sélectionner le meilleur composant pour un stockage et une distribution d'énergie fiables et une longue durée de vie.

L'une des premières choses à vérifier sur la fiche technique est l'effet de la température sur la capacité et la résistance. Une bonne pratique de conception consiste à choisir un dispositif qui présente très peu de changement sur la plage de températures de fonctionnement prévue du produit final, de sorte que si une alimentation de secours est nécessaire, la tension fournie est stable et l'énergie est délivrée efficacement.

La durée de vie des supercondensateurs est largement déterminée par l'effet combiné de la tension et de la température de fonctionnement (Figure 3). Le supercondensateur connaît rarement des défaillances catastrophiques. Sa capacité et sa résistance interne évoluent avec le temps et dégradent progressivement ses performances jusqu'à ce qu'il ne soit plus en mesure de répondre aux spécifications du produit final. La baisse de performances est généralement plus importante au début de la vie du produit final, et s'atténue à mesure que le produit final vieillit.

Figure 3 : Les tensions appliquées et les températures plus élevées peuvent réduire la durée de vie des supercondensateurs. (Source de l'image : Elcap, CC0, via Wikimedia Commons, modifiée par l'auteur)

Lorsqu'il est utilisé dans une application d'alimentation de secours, le supercondensateur est maintenu à la tension de fonctionnement pendant de longues périodes, et ne sera appelé que très occasionnellement à décharger l'énergie stockée. Cela finira par avoir un impact sur les performances. La fiche technique indique la diminution de la capacité au fil du temps pour des tensions de fonctionnement typiques et à différentes températures. Par exemple, une réduction de 15 % de la capacité et une augmentation de 40 % de la résistance interne peuvent se produire pour un supercondensateur maintenu à 2,5 V pendant 88 000 heures (10 ans) à 25°C. Une telle baisse de performances doit être prise en compte lors de la conception de dispositifs de secours pour les produits finis ayant une longue durée de service.

La constante de temps pour un condensateur est le temps nécessaire au dispositif pour atteindre 63,2 % de la pleine charge ou pour se décharger à 36,8 % de la pleine charge. La constante de temps d'un supercondensateur est d'environ une seconde, ce qui est beaucoup plus court que pour un condensateur électrolytique. En raison de cette courte constante de temps, le concepteur doit s'assurer que le supercondensateur d'alimentation de secours n'est pas exposé à un courant ondulé continu, car cela pourrait l'endommager.

Les supercondensateurs peuvent fonctionner entre 0 V et leur capacité nominale maximum. Bien que l'utilisation efficace du stockage de puissance et de l'énergie disponibles du supercondensateur soit obtenue lors du fonctionnement sur la plus large plage de tensions, la plupart des composants électroniques ont un seuil de tension minimum. Cette exigence de tension minimum limite la quantité d'énergie pouvant être tirée du condensateur.

Par exemple, l'énergie stockée dans le condensateur est E = ½CV². À partir de cette relation, on peut calculer qu'environ 75 % de l'énergie disponible est accessible si le système fonctionne à la moitié de la tension nominale du condensateur (par exemple de 2,7 V à 1,35 V).

Défis de conception lors de l'utilisation de plusieurs supercondensateurs

Si les supercondensateurs permettent de fournir une alimentation de secours à un large éventail de produits électroniques, le concepteur doit se méfier des défis de conception qu'ils présentent. L'implémentation d'un circuit d'alimentation de secours peut constituer un défi de taille pour un ingénieur inexpérimenté. La principale difficulté réside dans le fait que les supercondensateurs commerciaux sont répertoriés pour environ 2,7 V. Pour alimenter un rail typique de 5 V, il faut donc utiliser deux supercondensateurs en série (Figure 4).

Figure 4 : Les supercondensateurs commerciaux sont répertoriés pour environ 2,7 V. Pour alimenter un rail typique de 5 V, il faut donc utiliser deux supercondensateurs en série, ce qui complique le processus de conception. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Bien qu'il s'agisse d'une solution de travail satisfaisante, elle entraîne un coût et une complexité supplémentaires en raison de la nécessité d'un équilibrage actif ou passif des cellules. En raison des tolérances de capacité, de différents courants de fuite et de différentes valeurs ESR, la tension dans deux ou plusieurs condensateurs nominalement identiques et entièrement chargés peut être différente. Ce déséquilibre de tension fait qu'un supercondensateur dans un circuit de secours fournit une tension plus élevée que l'autre. À mesure que la température augmente et/ou que les supercondensateurs vieillissent, ce déséquilibre de tension peut augmenter jusqu'au point où la tension dans un supercondensateur dépasse le seuil nominal de ce dispositif et affecte la durée de vie opérationnelle.

L'équilibrage des cellules dans les applications à faible rapport cyclique est généralement réalisé en plaçant une résistance de dérivation en parallèle avec chaque cellule. La valeur de la résistance est choisie pour être une valeur qui permet à tout flux de courant de dominer le courant de fuite total du supercondensateur. Cette technique garantit de manière efficace que toute variation de la résistance parallèle équivalente entre les supercondensateurs est négligeable. Par exemple, si les supercondensateurs dans un circuit de secours ont un courant de fuite moyen de 10 microampères (μA), une résistance de 1 % permettra une dérivation du courant de 100 μA, ce qui élèvera le courant de fuite moyen à 110 μA. Ce faisant, la résistance réduit efficacement la variation du courant de fuite entre les supercondensateurs de plusieurs dizaines de % à quelques % seulement.

Avec toutes les résistances parallèles relativement bien adaptées, les supercondensateurs à tensions plus élevées se déchargent via leur résistance parallèle à un taux plus élevé que les supercondensateurs à tensions plus faibles. La tension totale est ainsi répartie uniformément sur toute la série de supercondensateurs. Pour les applications à usage élevé, un équilibrage plus sophistiqué des supercondensateurs est nécessaire.

Utilisation d'un seul supercondensateur pour une alimentation de 5 V

Le circuit d'alimentation de secours pourrait être moins complexe et prendre moins de place si un seul supercondensateur était utilisé au lieu de deux ou plus. Une telle configuration élimine le besoin d'équilibrer le supercondensateur. Cependant, la sortie de 2,7 V d'un seul dispositif doit être augmentée à l'aide d'un régulateur de tension élévateur, créant une tension suffisante pour surmonter la chute de tension dans une diode et fournir 5 V au système. Le supercondensateur est chargé par un dispositif de charge et se décharge via le convertisseur élévateur si nécessaire. Des diodes permettent à la source d'alimentation primaire ou au supercondensateur d'alimenter le système (Figure 5).

Figure 5 : L'utilisation d'un seul supercondensateur dans un circuit de secours élimine le besoin d'équilibrer les cellules mais requiert un régulateur élévateur pour augmenter la tension de sortie du supercondensateur. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Une solution plus sophistiquée consiste à utiliser un seul condensateur complété par un convertisseur de tension spécialisé, tel que le régulateur de tension abaisseur-élévateur réversible MAX38888 ou MAX38889 de Maxim Integrated. Le premier offre de 2,5 V à 5 V et jusqu'à 2,5 ampères (A) de sortie, tandis que le second fournit de 2,5 V à 5,5 V et 3 A de sortie (Figure 6).

Figure 6 : Lorsqu'ils sont utilisés dans un circuit de secours de supercondensateur, les régulateurs réversibles MAX38889 (ou MAX38888) éliminent le recours à des diodes et des dispositifs élévateurs et à des chargeurs séparés. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Le MAX38889 est un régulateur de secours flexible à batterie de condensateurs ou à condensateur de stockage permettant le transfert efficace de l'énergie entre le ou les supercondensateurs et un rail d'alimentation système. Lorsque l'alimentation principale est présente et que sa tension est supérieure à la tension d'alimentation système de seuil minimum, le régulateur fonctionne en mode de charge et charge le supercondensateur avec un courant d'inductance moyen de 1,5 A et de crête de 3 A maximum. Le supercondensateur doit être complètement chargé pour permettre un fonctionnement de secours. Une fois le supercondensateur chargé, le circuit ne consomme que 4 μA de courant tout en maintenant le composant dans son état de disponibilité.

Lorsque l'alimentation principale est coupée, le régulateur empêche le système de tomber en dessous de la tension de fonctionnement de secours système définie en augmentant la tension du supercondensateur jusqu'à la tension système requise à un courant d'inductance de crête programmé, jusqu'à un maximum de 3 A. Le régulateur réversible peut fonctionner à une tension d'alimentation du supercondensateur de seulement 0,5 V, maximisant ainsi l'utilisation de l'énergie stockée.

La durée de secours dépend de la réserve d'énergie du supercondensateur et de la consommation du système. Les fonctionnalités des produits de Maxim Integrated permettent d'obtenir une alimentation de secours maximum avec un seul supercondensateur de 2,7 V, tout en réduisant le nombre de composants du circuit puisque le recours à des diodes, des dispositifs élévateurs et des chargeurs séparés est éliminé.

Conclusion

Les supercondensateurs offrent plusieurs avantages par rapport aux batteries secondaires pour l'alimentation de secours dans certaines applications, par exemple celles qui nécessitent un changement fréquent des batteries. Par rapport aux batteries rechargeables, les supercondensateurs se chargent plus rapidement, peuvent être rechargés beaucoup plus souvent et offrent une densité de puissance beaucoup plus élevée. Cependant, leur sortie de 2,7 V maximum implique quelques défis de conception lorsqu'il s'agit de prendre en charge une alimentation typique de 5 V.

Comme illustré, les régulateurs de tension abaisseurs/élévateurs réversibles offrent une solution sophistiquée en permettant à un seul supercondensateur de fournir une alimentation de secours à une ligne de 5 V tout en minimisant l'espace et le nombre de composants requis.