Haben Sie einen Plan B?

Tony Armstrong, Director of Product Marketing Power Products, Linear Technology Corporation

Einer meiner Favoriten ist: „Plan 9 from Outer Space“ in dem Außerirdische auf die Erde kommen, um die Menschheit daran zu hindern, eine ultimative Waffe zu bauen, die das gesamte Universum zerstören könnte. Es lief allerdings nicht so wie geplant und die Außerirdischen wurden vernichtet. Klar, die Außerirdischen hatten keinen Plan B und auf alle Fälle klappte Plan 9 nicht. Eine Übereinstimmung, die aus dieser Situation sofort mit einem elektronischen System gefunden werden kann, das völlig unabhängig von seinen äußeren Betriebsbedingungen kontinuierlich weiter arbeiten muss. Anders ausgedrückt, jede Störung in seiner Stromversorgung, ob nur kurzzeitig oder für Sekunden oder gar Minuten, muss während der Entwicklung in Betracht gezogen werden. Die übliche Art mit solchen Umständen umzugehen, ist der Einsatz von unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), um diese kurzen Ausfälle zu überbrücken und damit den sehr zuverlässigen kontinuierlichen Betrieb des Systems sicherzustellen. Auf ähnliche Weise werden viele der heutigen Notfall- und Reservesysteme eingesetzt, um Backup-Stromversorgung für Systeme in der Gebäudetechnik zu liefern, um die Sicherheit zu haben, dass Sicherheitssysteme und wichtige Geräte ihren Betrieb auch während eines Stromausfalls kontinuierlich fortsetzen können – was immer auch der Grund dafür ist. Ein weiteres anschauliches Beispiel findet man in den allgegenwärtigen Handheld-Elektronikgeräten, die in unserem alltäglichen Leben verwendet werden. Weil die Zuverlässigkeit entscheidend ist, sind diese Handheldgeräte sorgfältig konstruiert mit leichten Energiequellen ausgestattet, die für einen zuverlässigen Betrieb unter normalen Bedingungen sorgen. Aber, keine noch so sorgfältige Entwicklung kann eine Fehlbedienung verhindern, sie erfolgt erst in den Händen von Menschen (oder sogar Außerirdischen). Was passiert z. B. wenn ein Fabrikarbeiter einen Barcode-Scanner fallen lässt, und dabei die Batterie herausspringt? Solche Ereignisse sind elektronisch nicht vorhersehbar und wichtige Daten, die in einem flüchtigen Speicher abgelegt sind wären ohne eine gewisse Form eines Sicherheitsnetzes verloren – nämlich eines Systems, das kurzfristig die Stromversorgung aufrecht erhält und dazu ausreichend Energie speichert, um die notwendige Reserveleistung zur Verfügung zu stellen, bis die Batterie ersetzt werden kann oder die Daten in einen nichtflüchtigen Speicher geschrieben werden können. Diese Beispiele zeigen ganz klar die Notwendigkeit für eine alternative Form der verfügbaren Stromversorgung nur für den Fall, dass die primäre Stromversorgung gestört ist. In anderen Worten, Ein Notfallplan ist notwendig für den Fall, dass die Hauptstromversorgung nicht mehr da ist – was auch immer der Grund dafür ist. Ich nenne das einen „Plan B“. Speichermedien Hat man die Notwendigkeit für eine Reservestromversorgung für ein vorhandenes System erkannt, stellt sich die Frage: „Was kann als Speichermedium für diese Stromversorgung eingesetzt werden?“ Bisher hatte man dabei die Wahl zwischen Kondensatoren und Batterien. Ich denke, es ist nur fair zu sagen, dass die Kondensatortechnik für mehrere Dekaden eine Hauptrolle in der Leistungsübertragung und -lieferung gespielt hat. Das traditionelle Dünnfilm- und Öl basierte Kondensatordesign führte eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen aus, wie die Leistungsfaktorkorrektur und den Spannungsausgleich. In den letzten zehn Jahren gab es jedoch erhebliche Forschungen und Entwicklungen, die zu signifikanten Fortschritten im Design und den Fähigkeiten von Kondensatoren geführt haben. Diese wurden zu Superkondensatoren (auch Ultrakondensatoren) genannt und sind ideal geeignet für den Einsatz in der Batterieenergiespeicherung und in Reserve-Stromversorgungen. Superkondensatoren mögen bezüglich ihrer gesamten Energiespeicherung eingeschränkt sein, nichtsdestotrotz sind sie „Energiereich“. Darüber hinaus haben sie die Fähigkeit, hohe Energiepegel schnell zu entladen und rasch wieder aufzuladen. Superkondensatoren sind auch kompakt, robust und zuverlässig und können die Anforderungen eines Reservestromversorgungssystems bei kurzfristig auftretenden Leistungsverlusten erfüllen, wie den bereits beschriebenen. Sie können einfach parallel oder in Reihe geschaltet werden oder sogar in einer Kombination aus beidem, um die Spannung und den Strom zu liefern, die die Endanwendung benötigt. Nichtsdestotrotz, ein Superkondensator ist weit mehr als nur ein Kondensator mit einer sehr hohen Kapazität. Verglichen mit Standard-Keramik-, -Tantal- oder -Elektrolyt-Kondensatoren bieten Superkondensatoren eine höhere Energiedichte und höhere Kapazität bei ähnlichem Format und Gewicht. Und obwohl Superkondensatoren einiges an „Pflege und Fütterung“ benötigen, erweitern oder ersetzen sie sogar Batterien in Datenspeicherapplikationen, die eine Reserveversorgung mit kurzfristigen hohen Strömen benötigen. Darüber hinaus finden sie ihren Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen mit hoher Spitzenleistung und in portablen Applikationen, die hohe Stromstöße oder kurzzeitigen Batterie-Backup benötigen, wie bei USV-Systemen. Verglichen mit Batterien bieten Superkondensatoren Leistungs-Bursts mit höherer Spitzenleistung in kleineren Formfaktoren und haben über größere Betriebstemperaturbereiche ein längeres Ladezyklusleben. Die Lebensdauer von Superkondensatoren kann durch reduzieren der Top-Off-Spannung des Kondensators und vermeiden von hohen Temperaturen (> 50 °C) maximiert werden. Batterien können andererseits große Energiemengen speichern, sind aber eingeschränkt bezüglich Leistungsdichte und -bereitstellung. Wegen der chemischen Reaktionen, die innerhalb der Batterie auftreten, haben sie auch eine begrenzte Lebensdauer bezüglich Ladezyklen. Als Ergebnis sind sie dann am effektivsten, wenn sie geringe Leistungen über lange Zeitspannungen abgeben, da das ziehen von großen Strömen sehr schnell zu einer starken Begrenzung ihrer nutzbaren Betriebszeit führt. Die Tabelle 1 zeigt eine Zusammenfassung der Vor- und Nachteile von Superkondensatoren, Kondensatoren und Batterien.

Parameter	Superkondensatoren	Kondensatoren	Batterien
Energiespeicherung	Wattsekunden an Energie	Wattsekunden an Energie	Wattstunden an Energie
Lademethode	Spannung über Anschlüsse z.B. von einer Batterien	Spannung über Anschlüsse z.B. von einer Batterien	Strom & Spannung
Leistungsbereitstellung	Schnelle Entladung, linearer oder exponentieller Spannungsabfall	Schnelle Entladung, linearer oder exponentieller Spannungsabfall	Konstantspannung über lange Zeitspannen
Lade-/Entladezeit	ms bis s	ps bis ms	1 bis 10 Stunden
Formfaktor	klein	klein bis groß	groß
Gewicht	1 bis 2g	1g bis 10kg	1g bis >10kg
Energiedichte	1 bis 5 Wh/kg	0,01 bis 0,05 Wh/kg	8 bis 600 Wh/kg
Leistungsdichte	hoch, > 4000 W/kg	hoch, > 5000 W/kg	Klein, 100 bis 3000 W/kg
Betriebsspannung	2,3 V bis 2,75 V/Zelle	6 V bis 800 V	1,2 V bis 4,2 V/Zelle
Lebenszeit	> 100 k Zyklen	> 100 k Zyklen	150 bis 1500 Zyklen
Betriebstemperatur	-40 bis +85°C	-20 bis +100°C	-20 bis +65°C

Tabelle 1: Vergleich von Superkondensatoren mit Kondensatoren und Batterien Neue Stromversorgungs-Backup-Lösungen Da wir nun festgestellt haben, dass sich sowohl Superkondensatoren, Batterien und/oder eine Kombination aus beiden Kandidaten für eine Reserve-Stromversorgung in nahezu allen elektronischen Systemen eignet, was sind die dafür verfügbaren IC-Lösungen? Es stellt sich heraus, dass Linear Technology eine umfangreiche Palette an ICs hat, die speziell dafür entwickelt sind, die Anforderungen dieser Art von Anwendungen zu erfüllen. Die drei Lösungen, die ich gerne herausstellen möchte, sind der LTC4040, der LTC3643 und der LTC3110. Der LTC4040 ist ein vollständiges Batteriemanagementsystem für Lithium-Ionen-Backup-Batterien mit den beiden Versorgungspegeln 3,3 V und 5 V, die während eines Ausfalls der Hauptstromversorgung aktiv gehalten werden müssen. Batterien liefern wesentlich mehr Energie als Superkondensatoren, was sie hervorragend für Anwendungen macht, die eine Reservestromversorgung für lange Zeitspannen benötigen. Der LTC4040 nutzt einen bidirektionalen synchronen Wandler auf dem Chip, um eine hoch effiziente Aufladung der Batterie und auch eine Reserveleistung mit hohen Strömen und hohem Wirkungsgrad zu liefern. Wenn externe Leistung verfügbar ist, arbeitet der Baustein als abwärts wandelndes Batterieladesystem für einzellige Li-Ionen- oder LiFePO4–Batterien, wobei er die Präferenz für die Systemlast hat. Wenn die Eingangsversorgung unter den Schwellwert des einstellbaren Power-Fail-Input (PFI) abfällt, arbeitet der LTC4040 als abwärts wandelnder Regler, der bis zu 2,5 A aus der Backup-Batterie an den Systemausgang liefern kann. Während eines Ausfalls der Stromversorgung bietet die PowerPath-Steuerung eine Rückwärtssperre und einen nahtlosen Übergang zwischen Eingangs- und Reservestromversorgung. Typische Applikationen für den LTC4040 sind Flotten- und Teileverfolgung, GPS-Datenlogger in Automobilen, Telematiksysteme in Automobilen, Mautsysteme, Sicherheitssysteme, Kommunikationssysteme, industrielle Backup-Stromversorgung und über USB versorgte Geräte. Bild 1 zeigt eine typische Anwendungsschaltung. Bild 1: 4,5-V-Reservestromversorgung mit einem 4,22-V-PFI-Schwellwert Der LTC4040 enthält auch einen optionalen Überspannungsschutz (OVP = OverVoltage Protection), der den Baustein mit einem externen FET vor Eingangsspannungen über 60 V schützt. Seine einstellbare Eingangsstrombegrenzungsfunktion erlaubt den Betrieb an einer strombegrenzten Quelle, weil der Laststrom des Systems gegenüber dem Batterieladestrom priorisiert wird. Ein externer Trennschalter isoliert die primäre Eingangsversorgung während der Backup-Versorgung vom System. Die 2,5-A-Batterieladeschaltung des LTC4040 bietet acht wählbare Ladespannungen, die für LI-Ionen- und LiFePO4-Batterien optimiert sind. Der Baustein enthält auch eine Eingangsstromüberwachung, eine Anzeige bei Ausfall der Eingangsstromversorgung und eine Anzeige bei Ausfall der Systemversorgung. Der LTC3643 ist ein bidirektionaler aufwärts wandelnder Hochspannungs-Kondensator-Ladebaustein, der automatisch zu einem abwärts wandelnden Regler für die Reservestromversorgung eines Systems wird. Seine proprietäre Einspulen-Topologie, mit integrierten PowerPath-Funktionen, erledigt die Arbeit von zwei separaten Schaltreglern – was Volumen, Kosten und Komplexität einspart. Der LTC3643 arbeitet in zwei Betriebsarten, aufwärts wandelnder Lademodus und abwärts wandelnder Backup-Modus. Der Lademodus lädt ein Elektrolytkondensator-Array kontinuierlich und effektiv mit bis zu 40 V und bis zu 2 A aus einer Eingangsversorgung zwischen 3 V und 17 V. Im Backup-Modus – wenn die Eingangsversorgung unter den programmierbaren PFI-Schwellwert abfällt – arbeitet die aufwärts wandelnde Ladeschaltung in umgekehrter Richtung als synchroner abwärts wandelnder Regler, um das System zu versorgen und den Systemspannungspegel aus dem/den Backup-Kondensator(en) aufrecht zu erhalten. Während der Reservestromversorgung kann eine Strombegrenzung zwischen 2 A und 4 A programmiert werden, wodurch sich dieser Baustein ideal für Backup-Kondensatorsysteme mit hoher Energie und relativ kurzfristiger Zeitspanne, Backup-Systeme für den Stromversorgungsausfall, Solid-State-Drives und Ladeapplikationen von Batteriestapeln eignet. Bild 2 zeigt eine vereinfachte Applikationsschaltung.

Bild 2: Vereinfachte LTC3643-Schaltung, die einen Elektrolytkondensator als Reservestromversorgung nutzt

Wenn der Backup-Kondensator geladen wird, kann vom LTC3643 ein externer Messwiderstand mit kleinem Wert verwendet werden, um eine akkurate Strombegrenzung von der Eingangsstromversorgung beizubehalten, wobei die Bereitstellung von Leistung für die Systemlast Priorität hat. Die Eingangsstrombegrenzung kann mit einem Messwiderstand auf 50-mV-Schwellwert programmiert werden, was eine Überlast der Systemstromversorgungsquelle vermeidet und gleichzeitig die Zeitspanne für die erneute Ladung des Kondensators minimiert. Der Wandler arbeitet mit 1 MHz Schaltfrequenz, was die Ausmaße der externen Komponenten minimiert. Der Betrieb im Burst-Modus mit geringem Ruhestrom während der Regelung maximiert die Energienutzung aus dem Backup-Kondensator. Der LTC3643 bietet einen Betrieb als ideale Diode an der Eingangsstromversorgung, weil er ein Gate-Treibersignal an einen externen PMOS-Schalter liefert, was eine effiziente Leistungsbereitstellung ergibt und gleichzeitig die vollständige galvanische Trennung zwischen der Eingangsstromversorgung und der Systemlast während des Backup-Betriebs sicherstellt. Der LTC3110 ist ein bidirektionaler, ab-/aufwärts wandelnder Superkondensatorladebaustein mit programmierbarem Eingangsstrom und aktivem Ladungsausgleich für einen oder zwei in Reihe geschalteten Superkondensatoren. Seine proprietäre, rauscharme ab-/aufwärts wandelnde Topologie erledigt die Arbeit von zwei separaten Schaltreglern was Volumen, Kosten und Komplexität einspart. Der LTC3110 arbeitet in zwei Betriebsarten, Backup- und Lademodus. Im Backup-Modus erhält der Baustein eine Systemspannung VSYS von 1,71 V bis 5,25 V aufrecht, wenn er aus der im Superkondensator gespeicherten Energie versorgt wird. Darüber hinaus besitzt der Speichereingang VCAP des Superkondensators einen weiten nutzbaren Betriebsbereich von 5,5 V bis hinunter zu 0,1 V. Dies stellt sicher, dass praktisch die gesamte im Superkondensator gespeicherte Energie nutzbar ist, wodurch die Backup-Zeitspanne verlängert wird und die Speicherkondensatoren kleiner ausgelegt werden können. Alternativ dazu kann im Lademodus, wenn die Hauptstromversorgung aktiv ist, der LTC3110 entweder automatisch oder durch den Befehl des Anwenders, durch Nutzen der geregelten Systemspannung die Richtung umkehren, in die die Leistung fließt, um die Superkondensatoren zu laden und auszubalancieren. VCAP wird über den ab-/aufwärts wandelnden PWM effektiv bis über oder unter VSYS aufgeladen. Der Baustein hat im Lademodus auch eine Durchschnitts-Eingangsstrombegrenzung, die mit +/- 2 Prozent auf bis zu 2 A programmiert werden kann, was eine Überlast der Systemstromversorgung verhindert und die Zeitspanne für die Wiederaufladung des Kondensators minimiert. Bild 3 illustriert die Funktion des LTC3110 in einer Anwendung als Reservestromversorgung. Der aktive Ladeausgleich des LTC3110 eliminiert den konstanten Stromfluss über die externen Vorschaltwiderstände, was sicherstellt, dass selbst bei falsch angepassten Kondensatoren und selteneren Wiederaufladezyklen geladen wird. Die programmierbare Regelung der maximalen Kondensatorspannung balanciert und begrenzt die Spannung an jedem Kondensator im in Reihe geschalteten Stapel auf die Hälfte des programmierten Wertes, was einen zuverlässigen Betrieb sicherstellt, wenn die Kondensatoren altern und sich deshalb die Kapazitäten ändern und dann nicht mehr aufeinander abgestimmt sind. Die synchronen Schalter mit geringem RDS(ON) und geringer Gate-Ladung ergeben eine Wandlung mit hohem Wirkungsgrad, um die Ladezeit der Speicherelemente zu minimieren.

Bild 3: Die vereinfachte Schaltung des LTC3110 zeigt seine bidirektionalen Funktionen

Die Eingangsstrombegrenzung und maximale Kondensatorspannung sind über Widerstände programmierbar. Der Durchschnittseingangsstrom wird über einen Programmierbereich von 0,125 A bis 2 A akkurat gesteuert. Der über Pin wählbare Betrieb im Burst-Modus verbessert den Wirkungsgrad bei kleinen Lasten und reduziert den Standby-Strom auf nur mehr 40 µA und den Strom im abschalteten Zustand auf weniger als 1 µA. Weitere Funktionen des LTC3110 sind eine hohe Schaltfrequenz von 1,2 MHz, um die Ausmaße der externen Komponenten zu reduzieren, Schutz vor Überhitzung und zwei Spannungsüberwachungen zur Steuerung der Richtung und des Ladeendes sowie einen universellen Komparator mit einer offenen Kollektorschaltung als Schnittstelle zu einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor. Zusammenfassung Wann immer eine Entwicklung ein System erfordert, das immer verfügbar ist, selbst wenn die primäre Stromversorgung ausfallen sollte, ist es stets eine gute Idee, eine zweite Stromversorgung in Reserve zu haben. Glücklicherweise gibt es viele verfügbare IC-Optionen, die eine einfache Backup-Stromversorgung ermöglichen, wenn das Speichermedium ein Superkondensator, ein Elektrolytkondensator oder sogar eine Batterie ist. Deshalb seien Sie nicht wie die Außerirdischen im Film – stellen Sie sicher, dass Sie einen Plan B haben. --- Autor: Tony Armstrong, Director of Product Marketing Power Products, © Linear Technology Corporation.