Come utilizzare un singolo supercondensatore come potenza di riserva per un'alimentazione a 5 V

Un tempo limitate ai dispositivi mission-critical, le soluzioni di potenza di riserva sono oggi necessarie per un'ampia gamma di applicazioni elettroniche in prodotti finali di tipo industriale, commerciale e consumer. Sebbene esistano diverse opzioni, il supercondensatore è la soluzione più compatta e ad alta densità energetica come riserva di energia in caso di interruzione dell'alimentazione principale, come può avvenire all'alimentazione di rete o durante la sostituzione delle batterie.

Tuttavia, i supercondensatori introducono problemi di progettazione perché ogni dispositivo può fornire solo fino a 2,7 V. Ciò significa che potrebbero essere necessari più supercondensatori, ciascuno con il relativo bilanciamento delle celle e convertitori di tensione step-up (boost) o step-down (buck), per fornire energia regolata a un rail di alimentazione da 5 V. Il risultato è un circuito complesso, relativamente costoso e che occupa uno spazio eccessivo sulla scheda.

Questo articolo confronta le batterie con i supercondensatori e spiega perché questi ultimi offrono diversi vantaggi tecnici per le applicazioni elettroniche compatte e a bassa tensione. Spiega poi come progettare una soluzione semplice ed elegante per alimentare un rail da 5 V utilizzando un solo condensatore combinato con un convertitore di tensione buck/boost reversibile.

Batterie e supercondensatori

L'alimentazione ininterrotta è diventata un fattore cruciale per un'esperienza d'uso soddisfacente con i moderni dispositivi elettronici. Senza un'alimentazione costante, i prodotti elettronici non solo cessano di funzionare, ma possono anche perdere informazioni vitali. Ad esempio, un PC collegato alla rete elettrica perderà i dati contenuti nella RAM volatile in caso di un'interruzione di corrente. Una pompa per insulina potrebbe perdere importanti letture della glicemia dalla memoria volatile mentre si sostituisce la batteria.

Un modo per evitare che ciò accada è quello di incorporare una batteria di riserva che immagazzini l'energia da rilasciare in caso di interruzione della fonte di alimentazione principale. Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono una tecnologia matura e offrono un'ottima densità energetica, consentendo a un dispositivo relativamente compatto di offrire energia di riserva per periodi prolungati.

Tuttavia, a prescindere dalla chimica di base, tutte le batterie presentano caratteristiche distinte che possono risultare problematiche in determinate circostanze. Ad esempio, sono relativamente pesanti, richiedono tempi di ricarica relativamente lunghi (il che potrebbe essere un problema in caso di frequenti interruzioni di corrente), le celle possono essere ricaricate solo per un numero limitato di volte (aumentando i costi di manutenzione) e le sostanze chimiche con cui sono prodotte possono comportare rischi per la sicurezza e l'ambiente.

Una soluzione alternativa per l'alimentazione di riserva è il supercondensatore, noto anche come ultracondensatore. Un supercondensatore è tecnicamente noto come condensatore a doppio strato elettrico (EDLC). Il dispositivo è costruito utilizzando elettrodi di carbone positivi e negativi simmetrici ed elettrochimicamente stabili. Questi sono separati da un separatore isolante permeabile agli ioni, incorporato in un contenitore caricato con un elettrolita a base di sali organici e solventi. L'elettrolita è progettato per massimizzare la conducibilità ionica e l'impregnazione dell'elettrodo. La combinazione di elettrodi di carbone attivo con elevata area superficiale con una separazione di carica estremamente ridotta determina una capacità molto più elevata di un supercondensatore rispetto ai condensatori convenzionali (Figura 1).

Figura 1: Un supercondensatore utilizza elettrodi di carbone positivi e negativi simmetrici, separati da un separatore isolante permeabile agli ioni e immerso in un elettrolita. La combinazione di elettrodi ad elevata area superficie e di una separazione di carica estremamente ridotta determina un'elevata capacità. (Immagine per gentile concessione di Maxwell Technologies)

La carica viene immagazzinata elettrostaticamente tramite adsorbimento reversibile dell'elettrolita sugli elettrodi di carbone ad elevata area superficiale. La separazione della carica avviene alla polarizzazione dell'interfaccia elettrodo/elettrolita, producendo l'eponimo doppio strato. Questo meccanismo è altamente reversibile e consente di caricare e scaricare il supercondensatore centinaia di migliaia di volte, anche se la sua capacità si riduce nel tempo.

Poiché si affida al meccanismo elettrostatico per immagazzinare l'energia, la prestazione elettrica dei supercondensatori è più prevedibili rispetto a quella delle batterie e i materiali di costruzione rendono i supercondensatori più affidabili e meno vulnerabili alle variazioni di temperatura. Per quanto riguarda la sicurezza, i supercondensatori contengono meno materiali volatili delle batterie e possono essere scaricati completamente per un trasporto sicuro.

Un ulteriore vantaggio è che, rispetto alle batterie secondarie, i supercondensatori si ricaricano molto più rapidamente: in questo modo, se la corrente viene a mancare subito dopo il primo guasto, l'energia di riserva è immediatamente disponibile. Inoltre, non corrono il rischio di poter essere sovraccaricati. I supercondensatori possono anche tollerare molti più cicli di ricarica, riducendo così i costi di manutenzione.

Infine, i supercondensatori offrono una densità di potenza (una misura della quantità di energia che può essere immagazzinata o erogata nell'unità di tempo) molto più elevata rispetto alle batterie. Questo non solo garantisce una ricarica rapida, ma permette anche di erogare alti picchi di corrente, se necessario, consentendone l'uso per l'alimentazione di riserva in un numero maggiore di applicazioni (Figura 2). I supercondensatori hanno anche una resistenza equivalente in serie (ESR) molto più bassa delle batterie. Ciò consente di fornire energia in modo più efficiente senza alcun pericolo di surriscaldamento. L'efficacia di conversione dell'energia dei supercondensatori è tipicamente superiore al 98%.

Figura 2: Le batterie ricaricabili possono fornire energia per lunghi periodi a correnti modeste, ma richiedono molto tempo per la ricarica. Al contrario, i supercondensatori (o ultracondensatori) si scaricano rapidamente con una corrente elevata, ma si ricaricano anche rapidamente. (Immagine per gentile concessione di Maxwell Technologies)

Lo svantaggio principale dei supercondensatori è la loro densità energetica relativamente bassa (una misura della quantità di energia immagazzinata per unità di volume) rispetto alle batterie ricaricabili. La tecnologia odierna consente a una batteria agli ioni di litio di immagazzinare venti volte l'energia rispetto a un supercondensatore dello stesso volume. Il divario si sta riducendo con i nuovi materiali per supercondensatori, ma è probabile che rimanga significativo ancora per molti anni. Un altro svantaggio notevole dei supercondensatori è il loro costo relativamente elevato rispetto alle batterie agli ioni di litio.

Considerazioni sulla progettazione dei supercondensatori

Se un prodotto elettronico deve affidarsi a un supercondensatore per l'alimentazione di riserva, è fondamentale che il progettista capisca come selezionare il componente migliore per l'immagazzinaggio e l'erogazione di energia in modo affidabile e per lungo tempo.

Una delle prime cose da verificare sulla scheda tecnica è l'effetto della temperatura sulla capacità e sulla resistenza. È buona norma scegliere un dispositivo che presenti variazioni minime nell'intervallo di temperatura di funzionamento previsto per il prodotto finale, in modo che, se è necessaria un'alimentazione di riserva, la tensione fornita sia stabile e l'energia venga erogata in modo efficiente.

La durata del supercondensatore è determinata in larga misura dall'effetto combinato della tensione di funzionamento e della temperatura (Figura 3). Il supercondensatore raramente si guasta in modo catastrofico. Al contrario, la sua capacità e la sua resistenza interna si alterano nel tempo e le prestazioni si riducono gradualmente fino a quando il componente non è più in grado di soddisfare le specifiche del prodotto finale. Il calo di prestazioni è in genere maggiore all'inizio del ciclo di vita del prodotto finale, per poi diminuire con l'invecchiamento.

Figura 3: Temperature e tensioni applicate più elevate possono ridurre la durata dei supercondensatori. (Immagine per gentile concessione di Elcap, CC0, via Wikimedia Commons, modificata dall'autore)

Quando è utilizzato in un'applicazione di alimentazione ausiliaria, il supercondensatore viene mantenuto alla tensione di lavoro per lunghi periodi e solo occasionalmente viene chiamato a scaricare l'energia immagazzinata. Ciò finirà per influire sulle prestazioni. La scheda tecnica indica il declino della capacità nel tempo per tensioni di funzionamento tipiche e a diverse temperature. Ad esempio, una riduzione del 15% della capacità e un aumento del 40% della resistenza interna possono verificarsi per un supercondensatore tenuto a 2,5 V per 88.000 ore (10 anni) a 25 °C. Questo declino delle prestazioni deve essere preso in considerazione quando si progettano dispositivi di riserva per prodotti finali con una lunga durata in servizio.

La costante di tempo di un condensatore è il tempo impiegato dal dispositivo per raggiungere il 63,2% della carica completa o per scaricarsi al 36,8% della carica completa. La costante di tempo di un supercondensatore è di circa un secondo, molto più breve di quella di un condensatore elettrolitico. A causa di questa breve costante di tempo, il progettista deve assicurarsi che il supercondensatore di riserva non sia esposto a una corrente di ripple continua, in quanto potrebbe danneggiarsi.

I supercondensatori possono funzionare tra 0 V e la loro capacità nominale massima. Sebbene l'utilizzo efficiente dell'energia disponibile e dell'accumulo di potenza del supercondensatore si ottenga quando funziona nell'intervallo di tensione più ampio, la maggior parte dei componenti elettronici ha una soglia di tensione minima. Questo requisito di tensione minima limita la quantità di energia che può essere prelevata dal condensatore.

Facciamo un esempio: l'energia immagazzinata nel condensatore è E = ½CV². Da questa relazione, si può calcolare che circa il 75% dell'energia disponibile è accessibile se il sistema funziona a metà della tensione nominale del condensatore (ad esempio da 2,7 a 1,35 V).

Sfide progettuali nell'utilizzo di più supercondensatori

Sebbene i vantaggi dei supercondensatori li rendano adatti a fornire energia di riserva a un'ampia gamma di prodotti elettronici, il progettista deve prestare attenzione alle sfide progettuali che essi comportano. L'implementazione di un circuito di alimentazione ausiliaria può essere complessa per un tecnico inesperto. La complessità è data dal fatto che i supercondensatori commerciali hanno una tensione nominale di circa 2,7 V, quindi per alimentare una tipica linea a 5 V è necessario utilizzare due supercondensatori in serie (Figura 4).

Figura 4: I supercondensatori commerciali hanno una tensione nominale di circa 2,7 V, quindi per alimentare una tipica linea a 5 V sono necessari due supercondensatori in serie e questo complica la progettazione. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Pur essendo una soluzione soddisfacente, comporta costi e complessità aggiuntivi a causa della necessità del bilanciamento attivo o passivo delle celle. Viste le tolleranze di capacità elettrica, le diverse correnti di dispersione e le diverse ESR, la tensione su due o più condensatori nominalmente identici e completamente carichi può essere diversa. Questo squilibrio di tensione fa sì che un supercondensatore in un circuito di riserva fornisca una tensione maggiore rispetto all'altro. Con l'aumento della temperatura e/o l'invecchiamento dei supercondensatori, questo squilibrio di tensione può aumentare fino al punto in cui la tensione su un supercondensatore supera la soglia nominale del dispositivo e ne compromette la vita operativa.

Il bilanciamento delle celle nelle applicazioni a basso ciclo di lavoro si ottiene solitamente inserendo un resistore di bypass in parallelo a ciascuna cella. Il valore del resistore è scelto in modo da consentire a qualsiasi flusso di corrente di dominare la corrente di dispersione totale del supercondensatore. Questa tecnica garantisce che una variazione trascurabile della resistenza parallela equivalente tra i supercondensatori. Ad esempio, se i supercondensatori del circuito di riserva hanno una corrente di dispersione media di 10 μA, una resistenza dell'1% consentirà un bypass di corrente di 100 μA, aumentando la corrente di dispersione media a 110 μA. In questo modo, il resistore riduce efficacemente la variazione della corrente di dispersione tra i supercondensatori da decine di punti percentuali a pochi punti percentuali.

Con tutte le resistenze in parallelo relativamente ben accoppiate, i supercondensatori con tensioni più elevate si scaricheranno attraverso la loro resistenza in parallelo a una velocità maggiore rispetto ai supercondensatori con tensioni più basse. In questo modo la tensione totale viene distribuita uniformemente su tutta la serie di supercondensatori. Per le applicazioni ad alto ciclo di servizio, è necessario un bilanciamento più sofisticato dei supercondensatori.

Utilizzo di un singolo supercondensatore per un'alimentazione a 5 V

Il circuito di alimentazione ausiliaria potrebbe essere meno complesso e occupare meno spazio se si utilizza un solo supercondensatore invece di due o più. Questa disposizione elimina la necessità di bilanciare i supercondensatori. Tuttavia, l'uscita di 2,7 V da un singolo dispositivo deve essere aumentata con un regolatore di tensione boost, creando una tensione sufficiente per superare la caduta di tensione attraverso un diodo e fornire 5 V al sistema. Il supercondensatore viene caricato da un dispositivo di carica e si scarica attraverso il convertitore boost quando necessario. I diodi consentono di alimentare il sistema sia dalla fonte di alimentazione primaria sia dal supercondensatore (Figura 5).

Figura 5: L'uso di un singolo supercondensatore in un circuito di alimentazione ausiliaria elimina la necessità di bilanciare le celle, ma richiede un regolatore step-up per aumentare la tensione di uscita del supercondensatore. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Una soluzione più elegante consiste nell'utilizzare un singolo condensatore integrato da un convertitore di tensione specializzato, come il regolatore di tensione buck/boost reversibile MAX38888 o MAX38889 di Maxim Integrated. Il primo offre un'uscita da 2,5 a 5 V e fino a 2,5 A, mentre il secondo è un dispositivo con uscita da 2,5 a 5,5 V e 3 A (Figura 6).

Figura 6: Se utilizzati in un circuito di alimentazione ausiliaria con supercondensatore, i regolatori reversibili MAX38889 (o MAX38888) eliminano la necessità di caricatore, diodi e dispositivi boost separati. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

MAX38889 è un condensatore di immagazzinaggio o regolatore di riserva con batteria di condensatori flessibile in grado di trasferire in modo efficiente l'energia tra i supercondensatori e un rail di alimentazione del sistema. Quando l'alimentazione principale è presente e la sua tensione è superiore alla soglia minima della tensione di alimentazione del sistema, il regolatore funziona in modalità di carica e carica il supercondensatore con una corrente induttrice massima di 3 A di picco, 1,5 A di media. Il supercondensatore deve essere completamente carico per il funzionamento ausiliario. Una volta caricato il supercondensatore, il circuito assorbe solo 4 μA di corrente mantenendo il componente nello stato pronto all'uso.

Quando l'alimentazione principale viene meno, il regolatore impedisce al sistema di scendere al di sotto della tensione di funzionamento ausiliario impostata, aumentando la tensione del supercondensatore fino alla tensione di sistema richiesta con una corrente induttrice di picco programmata, fino a un massimo di 3 A. Il regolatore reversibile può funzionare fino a una tensione di alimentazione del supercondensatore di soli 0,5 V, massimizzando l'utilizzo dell'energia immagazzinata.

La durata di alimentazione di emergenza dipende dalla riserva energetica del supercondensatore e dall'assorbimento di potenza del sistema. Le caratteristiche dei prodotti di Maxim Integrated consentono di trarre la massima potenza di riserva da un singolo supercondensatore da 2,7 V, riducendo al contempo il numero di componenti circuitali grazie all'eliminazione di dispositivi di carica e boost separati e di diodi.

Conclusione

I supercondensatori offrono diversi vantaggi rispetto alle batterie secondarie per l'alimentazione di riserva in applicazioni particolari, come quelle che richiedono frequenti sostituzioni delle batterie. Rispetto alle batterie ricaricabili, i supercondensatori si caricano più rapidamente, possono essere accesi e spenti molte più volte e offrono una densità di potenza molto più elevata. Tuttavia, la loro uscita massima di 2,7 V introduce alcuni problemi di progettazione quando si intende supportare una tipica alimentazione a 5 V.

Come mostrato, i regolatori di tensione step-down/step-up reversibili sono una soluzione elegante, poiché consentono a un singolo supercondensatore di alimentare una linea da 5 V, riducendo al minimo lo spazio e il numero di componenti necessari.