Energiespeicherung mit Superkondensatoren: Wie groß ist groß genug?

Antwort: Die einfache Energieberechnung greift zu kurz, wenn nicht die Einzelheiten berücksichtigt werden, die sich auf die verfügbare Energiespeicherung während der Lebensdauer des Superkondensators auswirken. Einführung In Notstrom- oder Überbrückungssystemen kann das Energiespeichermedium einen bedeutenden Prozentsatz der Gesamtkosten der Stückliste (BOM) ausmachen und nimmt oft das größte Volumen ein. Der Schlüssel zur Optimierung einer Lösung liegt in der sorgfältigen Auswahl der Komponenten, so dass die erforderlichen Überbrückungszeiten eingehalten werden, das System aber nicht überdimensioniert wird. Dies bedeutet, dass die Energiespeicherung berechnet werden muss, die erforderlich ist, um die Anforderungen an die Überbrückungs- und Backup-Zeit über die Lebensdauer der Anwendung ohne übermäßige Marge zu erfüllen. In diesem Artikel wird eine Strategie zur Auswahl eines Superkondensators und eines Backup-Controllers für eine gegebene Überbrückungszeit und Leistung vorgestellt, wobei die Unwägbarkeiten von Superkondensatoren während ihrer Lebensdauer berücksichtigt werden. Elektrostatische Doppelschichtkondensatoren (EDLC) oder Superkondensatoren (Supercaps) sind effiziente Energiespeicher, die die funktionelle Lücke zwischen größeren und schwereren batteriebasierten Systemen und Massenkondensatoren schließen. Superkondensatoren tolerieren wesentlich schnellere Lade- und Entladezyklen als wiederaufladbare Batterien. Dadurch eignen sich Superkondensatoren besser als Batterien für die kurzfristige Energiespeicherung in Notstromsystemen mit relativ geringem Energiebedarf, für Kurzzeitladungen, zur Pufferung von Spitzenlastströmen und für Energierückgewinnungssysteme (siehe Tabelle 1). Es existieren Hybrid-Systeme aus Batterien und Superkondensatoren, bei denen die hohen Strom- und Kurzzeitleistungsfähigkeiten von Superkondensatoren die kompakten Energiespeicherfähigkeiten von Batterien mit langer Lebensdauer ergänzen. Tabelle 1. Vergleich zwischen EDLC- und Li-Ionen-Batterien

Merkmal	Superkondensatoren	Li-Ionen-Batterie
Lade-/Entladezeit	<1 s bis >10 s	30 min bis 600 min
Terminierung/Überladung	—	Ja
Lade-/Entladeeffizienz	85 % bis 98 %	70 % bis 85 %
Lebensdauer	100.000+	500+
Min. bis max. Zellenspannung (V)	0 bis 2,3*	3 bis 4,2
Spezifische Energie (Wh/kg)	1 bis 5	100 bis 240
Spezifische Leistung (W/kg)	10.000+	1000 bis 3000
Temperatur (°C)	–40 °C bis +45 °C*	0 °C to +45 °C Laden*
Selbstentladungsrate	Hoch	Gering
Eigensicherheit	Hoch	Gering

*Zur Erhaltung einer angemessenen Lebensdauer Es ist zu beachten, dass höhere Temperaturen und höhere Zellspannungen in Superkondensatoren deren Lebensdauer verkürzen. Es muss sichergestellt werden, dass die Zellenspannungen die zulässigen Temperatur- und Spannungswerte nicht überschreiten und dass diese Parameter bei Anwendungen, bei denen Superkondensatoren gestapelt sind oder bei denen die Eingangsspannung nicht ausreichend geregelt ist, innerhalb der gewünschten Betriebswerte bleiben (siehe Abbildung 1). Abbildung 1. Ein Beispiel für ein zu einfaches Design, das zu einem riskanten Ladeschema für Superkondensatoren führt. Eine robuste und effiziente Lösung mit diskreten Komponenten zu erreichen, kann schwierig sein. Im Gegensatz dazu sind integrierte Lade-/Backup-Controller-Lösungen mit Superkondensatoren einfach einzusetzen und bieten in der Regel die meisten oder alle dieser Funktionen:

• Eine gut geregelte Zellenspannung unabhängig von den Schwankungen der Eingangsspannung
• Aktiver Spannungsausgleich einzelner Stapelzellen, um sicherzustellen, dass die Spannung unter allen Betriebsbedingungen angepasst wird, unabhängig von Fehlanpassungen zwischen den Zellen
• Geringe Leitungsverluste und niedrige Dropout-Spannung bei der Zellenspannung, um sicherzustellen, dass das System die maximale Energiemenge für einen bestimmten Superkondensator erhält
• Aktiver Spannungsausgleich einzelner Stapelzellen, um sicherzustellen, dass die Spannung unter allen Betriebsbedingungen angepasst wird, unabhängig von Fehlanpassungen zwischen den ZellenEinschaltstrombegrenzung für das Einsetzen von Leiterplatten bei laufendem Betrieb
• Kommunikation mit einem Host-Controller

Auswahl der richtigen integrierten Lösung Analog Devices verfügt über ein umfangreiches Angebot an integrierten Lösungen, die alle notwendigen Schaltungen enthalten, um die Grundlagen Ihres Backup-Systems in einem einzigen IC abzudecken. Tabelle 2 fasst die Merkmale einiger Ladegeräte für Superkondensatoren von Analog Devices zusammen. Tabelle 2. Zusammenfassung der Merkmale integrierter Lösungen für Superkondensator-Ladegeräte

	LTC3110	LTC4041	LTC3350	LTC3351	LTC3355
VIN (V)	1,8 bis 5,25	2,9 bis 5,5 (60 V OVP)	4,5 bis 35	4,5 bis 35	3 bis 20
Ladegerät (VIN → VCAP)	2 A Abwärts-/Aufwärts	2,5 A Abwärts	10+ A Abwärtsregler	10+ A Abwärtsregler	1 A Abwärts
Anzahl Zellen	2	1 bis 2	1 bis 4*	1 bis 4*	1
Zellenausgleich	Ja	Ja	Ja	Ja	—
VCAP (V)	0,1 bis 5,5	0,8 bis 5,4	1,2 bis 20	1,2 bis 20	0,5 bis 5
DC-zu-DC (VCAP → VOUT)	2 A Abwärts-/Aufwärts	2,5 A Aufwärts	10+ A Aufwärtsregler	10+ A Aufwärtsregler	5 A Aufwärts
VOUT-Bereich (V)	1,8 bis 5,25	2,7 bis 5,5	4,5 bis 35	4,5 bis 35	2,7 bis 5
PowerPath	Interner FET	Externer FET	Externer FET	Externer FET	Separate Aufwärtsregelung
Einschaltstrombegrenzung	—	—	—	Ja	—
Systemüberwachung	—	PWR-Ausfall, PG	V, I, Kap, ESR	V, I, Kap, ESR	VIN, VOUT, VCAP
Gehäuse	24-pin TSSOP, 24-pin QFN	4 mm × 5 mm, 24-pin QFN	5 mm × 7 mm, 38-pin QFN	5 mm × 7 mm, 38-pin QFN	4 mm × 4 mm, 20-pin QFN

*Konfiguration für mehr als vier Kondensatoren möglich Bei Anwendungen mit 3,3 V- oder 5 V-Versorgungsschienen folgende integrierte Schaltungen berücksichtigen:

• LTC3110: ein bidirektionaler 2 A- Gleichstrom-Abwärts/Aufwärtsregler und Ladegerät/Ausgleicher
• LTC4041: ein 2,5-A-Superkondensator-Power-Manager

Bei Anwendungen mit 12 V- oder 24 V-Versorgungsschienen, oder wenn eine Backup-Leistung über 10 W benötigt wird, die folgenden integrierten Schaltungen berücksichtigen:

• LTC3350: einem Hochstrom-Superkondensator-Backup- Regler und Systemmonitor
• LTC3351: ein Hot-Swap-fähiges Superkondensator-Ladegerät mit Backup-Regler und Systemmonitor

Wenn Ihr System einen Haupt-Abwärtsregler für 3,3 V- oder 5 V-Stromschienen mit einem eingebauten Aufwärtswandler für das Backup unter Verwendung eines einzelnen Superkondensators oder einer anderen Energiequelle für temporäres Backup oder Ride-Through benötigt, ist folgende integrierte Schaltung zu berücksichtigen:

• LTC3355: ein 20 V, 1 A-Gleichstrom-Abwärtsregler mit integriertem Superkondensator-Ladegerät und Backup-Regler

Analog Devices bietet zudem viele andere Konstantstrom/Konstantspannungs (CC/CV)-Lösungen für das Laden eines einzelnen Superkondensators, Elektrolytkondensators, Li-Ionen-Akkus oder NiMH-Akkus. Weitere Superkondensator-Lösungen finden sich unter analog.com. Für weitere Informationen zu anderen Lösungen wenden Sie sich bitte an ihren örtlichen Anwendungstechniker oder Ihren regionalen Support. Berechnen der Überbrückungs- oder Backupzeit Wie groß ist groß genug bei der Entwicklung einer Energiespeicherlösung für Superkondensatoren? Um den Umfang dieser Analyse zu begrenzen, konzentrieren wir uns hier auf die klassischen Überbrückungs- bzw. Backup-Anwendungen, die in der hochwertigen Unterhaltungselektronik, in tragbaren Industriegeräten, in der Energiemessung und in militärischen Anwendungen eingesetzt werden. Eine gute Analogie für diese Entwurfsaufgabe wäre ein Wanderer, der ermitteln will, wie viel Wasser er auf einer ganztägigen Wanderung mitnehmen soll. Weniger Wasser am Anfang erleichtert zwar den Aufstieg, allerdings könnte das Wasser zu früh ausgehen, vor allem bei einer schwierigen Wanderung. Andererseits muss ein Wanderer, der eine große Wasserflasche mit sich führt, das zusätzliche Gewicht tragen, wird aber wahrscheinlich während der gesamten Dauer der Reise ausreichend mit Flüssigkeit versorgt bleiben. Möglicherweise muss der Wanderer zudem das Wetter berücksichtigen: Mehr Wasser an einem heißen Tag, weniger, wenn es kühl ist. Die Auswahl eines Superkondensators ist ziemlich ähnlich: Die Überbrückungsdauer und die Last sind ebenso wichtig wie die Umgebungstemperatur. Darüber hinaus müssen die Verschlechterung der Nennkapazität über die Lebensdauer und der inhärente äquivalente Serienwiderstand (ESR) des Superkondensators berücksichtigt werden. Im Allgemeinen sind die End-of-Life (EOL)-Parameter für Superkondensatoren wie folgt definiert:

• Die spezifizierte (anfängliche) Kapazität ist auf 70 % der Nennkapazität gesunken.
• Der ESR hat sich gegenüber dem angegebenen Anfangswert verdoppelt.

Diese beiden Parameter sind für die folgenden Berechnungen wichtig: Zur Dimensionierung Ihrer Leistungskomponenten ist es wichtig, die Spezifikationen Ihrer Überbrückungs-/ Backup-Last zu verstehen. Beispielsweise könnte das System bei einem Stromausfall unkritische Lasten abschalten, so dass Energie auf wichtige Schaltkreise, z.B. solche, die Daten vom flüchtigen in den nichtflüchtigen Speicher übertragen, umgeleitet werden kann. Stromausfälle treten in vielen Formen auf, aber im Allgemeinen muss die Not-/Hilfsstromversorgung das System in die Lage versetzen, sich bei einem anhaltenden Ausfall kontrolliert abzuschalten oder bei einem vorübergehenden Stromausfall weiter zu arbeiten. In beiden Fällen muss die Dimensionierung der Komponente auf Grundlage der Summe der Lasten, die während des Backups bzw. der Überbrückung unterstützt werden müssen, sowie der dafür erforderlich Zeit erfolgen. Die Energiemenge, die für die Überbrückung bzw. das Backup des Systems erforderlich ist: Die in einem Kondensator gespeicherte Energie: Der gesunde Menschenverstand besagt, dass die im Kondensator gespeicherte Energie größer sein muss als diejenige, die für die Überbrückung oder das Backup erforderlich ist: Dies liefert eine grobe Näherung für die Größe des Kondensators, reicht aber nicht aus, um die Größe für ein wirklich robustes System zu bestimmen. Es müssen wichtige Details bestimmt werden, wie z.B. die verschiedenen Ursachen für Energieverluste, die letztlich zu einer größeren erforderlichen Kapazität führen. Energieverluste lassen sich in zwei Kategorien einteilen: jene, die auf den Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers zurückzuführen sind, und jene, die durch den Kondensator selbst verursacht werden. Der Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers muss für den Zustand bekannt sein, in dem der Superkondensator die Last während des Backups bzw. der Überbrückung mit Strom versorgt. Der Wirkungsgrad hängt vom Arbeitszyklus (Netz- und Lastbedingungen) ab und kann dem Datenblatt des Reglers entnommen werden. Die in Tabelle 2 oben aufgeführten Geräte haben einen Spitzenwirkungsgrad von 85 % bis 95 %, der in Abhängigkeit von Laststrom und Arbeitszyklus während der Überbrückung bzw. des Backups variieren kann. Der Energieverlust des Superkondensators entspricht der Energie, die wir dem Superkondensator nicht entziehen können. Dieser Verlust wird durch die minimale Eingangsbetriebsspannung des Gleichspannungswandlers bestimmt. Diese hängt von der Topologie des Gleichspannungswandlers ab und wird als Dropout-Spannung bezeichnet. Sie ist ein wichtiger Parameter, der beim Vergleich integrierter Lösungen zu berücksichtigen ist. Unter Verwendung der früheren Berechnung für die Energie eines Kondensators und Subtraktion der nicht verfügbaren Energie unterhalb von VDropout ergibt sich: Was ist mit VCapacitor? Es liegt auf der Hand, dass eine Einstellung von VCapacitor in die Nähe seiner maximalen Leistung die gespeicherte Energie vergrößern würde, allerdings hat diese Strategie gravierende Nachteile. Superkondensatoren haben häufig eine Nennspannung von maximal 2,7 V, der typische Wert liegt jedoch bei 2,5 V oder weniger. Abbildung 2. Diagramm der Lebensdauer in Abhängigkeit von der Klemmspannung unter Verwendung der Temperatur als Schlüsselparameter. Dies ist auf die Berücksichtigung der Lebensdauer der Anwendung und ihrer vorgegebenen Umgebungstemperatur im Betrieb zurückzuführen (siehe Abbildung 2). Durch die Verwendung eines höheren Wertes für VCapacitor in einer höheren Umgebungstemperatur wird die Lebensdauer des Superkondensators herabgesetzt. Für robuste Anwendungen, die eine lange Betriebslebensdauer oder den Betrieb bei relativ hohen Umgebungstemperaturen erfordern, empfiehlt sich ein niedrigerer Wert für VCapacitor. Einzelne Superkondensator-Lieferanten stellen in der Regel Kennlinien für die geschätzte Lebensdauer auf Grundlage von Klemmspannung und Temperatur zur Verfügung. Satz von der maximalen Leistungsübertragung Abbildung 3. Stromversorgung von einem Kondensatorstapel mit Serienwiderstand. Der dritte Effekt, der in Betracht gezogen werden muss, ist nicht so offensichtlich: der Satz von der maximalen Leistungsübertragung. Um die maximale externe Leistung aus einer Superkondensatorquelle mit einem äquivalenten Serienwiderstand (siehe Abbildung 3) zu erhalten, muss der Lastwiderstand gleich dem Quellwiderstand sein. In diesem Artikel werden die Wörter „Ausgang“, „Backup“ oder „Last“ synonym verwendet, da alle drei in diesem Fall dasselbe bedeuten. Wenn wir das Diagramm in Abbildung 3 als ein Thevenin-Ersatzschaltbild betrachten, können wir auf einfache Weise die Verlustleistung über die Last berechnen: Zur Ermittlung der maximalen Leistungsübertragung können wir die Ableitung der vorherigen Gleichung nehmen und zu null setzen. Dies ist der Fall, wenn RSTK = RLOAD ist. Wenn wir RSTK = RLOAD setzen, erhalten wir: Dieser Ansatz ist auch rein intuitiv verständlich. Das heißt, dass die Leistung der Last reduziert wird, wenn der Lastwiderstand größer als der Quellwiderstand ist, da der Gesamtwiderstand der Schaltung ansteigt. Wenn der Lastwiderstand geringer ist als der Quellenwiderstand, wird dagegen der größte Teil der Leistung aufgrund des geringeren Gesamtwiderstandes in der Quelle abgeführt, Daher wird die übertragbare Leistung maximiert, wenn Quell- und Lastimpedanz für eine gegebene kapazitive Spannung und einen gegebenen Stapelwiderstand (ESR der Superkondensatoren) aufeinander abgestimmt sind. Abbildung 4. Kennlinie der verfügbaren Leistung in Abhängigkeit vom Stapelstrom. Bezüglich der nutzbaren Energie in einem Design bestehen Konsequenzen. Da die ESRs der gestapelten Superkondensatoren fest sind, sind die einzigen Werte, die sich während des Backup-Betriebs ändern, die Stack-Spannung und natürlich der Stack-Strom. Um die Anforderungen an die Backup-Last zu erfüllen, steigt mit abnehmender Stack-Spannung der erforderliche Strom zur Lastunterstützung. Leider verringert eine Erhöhung der Ströme über das definierte Optimum hinaus die verfügbare Backup-Leistung, da sie die Verluste im ESR der Superkondensatoren erhöht. Wenn dieser Effekt auftritt, bevor der DC/DC-Wandler seine minimale Eingangsspannung erreicht, führt dies zu einem zusätzlichen Verlust an nutzbarer Energie. Abbildung 5. Dieses Diagramm zeigt die Ableitung der für eine bestimmte Ausgangsleistung erforderlichen Mindestspannung VIN. Abbildung 5 zeigt die verfügbare Leistung als Funktion von VSTK unter der Annahme einer optimalen Widerstandsanpassung an die Last sowie den Graphen für 25 W Backup-Leistung. Diese Grafik kann auch als eine einheitslose Zeitbasis betrachtet werden: Wenn die Superkondensatoren die erforderlichen 25 W Backup-Leistung erfüllen, nimmt die Stack-Spannung ab, sobald sich diese in die Last entlädt. Bei 3 V befindet sich ein Wendepunkt, an dem der Laststrom über dem optimalen Wert liegt, wodurch die verfügbare Backup-Leistung für die Last verringert wird. Dies ist der maximal lieferbare Leistungspunkt des Systems, und ab diesem Punkt nehmen die Verluste im ESR der Superkondensatoren zu. In diesem Beispiel sind 3 V deutlich höher als die Dropout-Spannung des DC/DC-Wandlers, so dass die nicht nutzbare Energie vollständig auf den Superkondensator zurückzuführen ist, was dazu führt, dass der Regler nicht ausgelastet ist. Im Idealfall erreicht der Superkondensator die Dropout-Spannung, so dass die Fähigkeit des Systems, Strom zu liefern, maximiert wird. Wenn wir die frühere Gleichung für PBACKUP heranziehen, können wir diese für VSTK(MIN) lösen. Ebenso können wir auch den Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers berücksichtigen und in diese Gleichung einbeziehen: Mit diesem unteren Grenzwert VSTK(MIN) können wir einen Kondensator-Auslastungsgrad αB festlegen, der von der maximalen und minimalen Zellenspannung abgeleitet ist: Für die Bestimmung der Backup-Zeit ist nicht nur die Kapazität, sondern auch der ESR des Superkondensators entscheidend. Der ESR des Superkondensators bestimmt, wie viel der Stack-Spannung für die Backup-Last verwendet werden kann, was auch als Auslastungsgrad bezeichnet wird. Da der Backup-Prozess ein dynamischer Prozess in Bezug auf Eingangsspannung, Ausgangsstrom und Tastverhältnis ist, ist die vollständige Formel für die erforderliche Stack-Kapazität nicht so einfach wie bei den früheren Versionen. Es lässt sich zeigen, dass die endgültige Formel wie folgt aussieht: Dabei ist η = Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers. Entwurfsmethodik für Backup-Systeme mit Superkondensatoren Die Konzepte und Berechnungen bis zu diesem Punkt können in eine Entwurfsmethodik für Superkondensator-Backup-Systeme umgesetzt werden: 1. Bestimmung der Backup-Anforderungen für PBackup und tBackup. 2. Bestimmung der maximalen Zellenspannung, VSTK(MAX), für die gewünschte Lebensdauer des Kondensators. 3. Auswahl der Anzahl der Kondensatoren im Stapel (n). 4. Auswahl eines gewünschten Auslastungsgrades, αB für den Superkondensator (z. B. 80 % bis 90 %). 5. Ermittlung der Lösung für die Kapazität CSC: 6. Suche nach einem Superkondensator mit ausreichender Kapazität CSC und Überprüfung, ob die Formel für den minimalen RSC-erfüllt ist: Abbildung 6. LTC3350/LTC3351 – Berechnung für ein 4 s-Überbrückungssystem mit 36 W und einer Kapazität von 25 F. Wenn kein geeigneter Kondensator verfügbar ist, die Iteration mit höherer Kapazität, höherer Zellenspannung, mehr Kondensatoren im Stack oder einer geringeren Auslastung durchführen. Abbildung 7. LTC3350/ LTC3351 – Berechnung mit einer Kapazität von 45 F. Berücksichtigung des Endes der Lebensdauer von Superkondensatoren Für ein System, das eine bestimmte Lebensdauer erreichen muss, muss die zuvor beschriebene Methodik mit EOL-Werten modifiziert werden, im Allgemeinen 70 % von CNOM und 200 % der ESRNOM. Dies erschwert die Mathematik, aber für die meisten ADI-Superkondensator-Manager sind vorhandene Tabellenkalkulationstools auf den Produkt-Webseiten verfügbar. Verwenden wir als Beispiel eine vereinfachte Methode mit dem LTC3350:

• Die erforderliche Backup-Leistung beträgt 36 W über eine Dauer von vier Sekunden.
• VCELL(MAX) ist für längere Lebensdauer bzw. hohe Umgebungstemperaturen auf 2,4 V eingestellt.
• Es werden vier Kondensatoren in Reihe geschaltet.
• Der DC-zu-DC-Wirkungsgrad (ŋ) liegt bei 90%.
• Unter Verwendung einer anfänglichen Schätzung der Kapazität von 25 F liefert das Tabellenkalkulationstool das in Abbildung 6 gezeigte Ergebnis.

Ausgehend von der anfänglichen Schätzung einer Kapazität von 25 F erhalten wir die erforderlichen vier Sekunden Backup-Zeit (mit einer zusätzlichen Marge von 25 %) unter Verwendung von Nominalwerten. Wenn wir jedoch die EOL-Werte von ESR und Kapazität berücksichtigen, sinkt unsere Backup-Zeit auf fast die Hälfte. Um mit den EOL-Werten der Kondensatoren vier Sekunden zu erhalten, müssen wir mindestens einen unserer Eingabeparameter ändern. Da die meisten von ihnen fest sind, ist die Kapazität der am besten geeignete Parameter für eine Erhöhung.

• Unter Verwendung einer anfänglichen Schätzung der Kapazität von 45 F liefert das Tabellenkalkulationstool das in Abbildung 7 gezeigte Ergebnis.

Die notwendige Erhöhung in Richtung 45 F scheint groß zu sein, da die Nennwerte eine komfortable Backup-Zeit von neun Sekunden bieten. Mit der Addition von CAPEOL und ESREOL und der daraus resultierenden minimalen Stack-Spannung von 6,2 V kommt es jedoch zu einer starken Verschlechterung auf die Hälfte der Backup-Zeit bei EOL-Bedingungen. Nichtsdestotrotz erfüllt dies unsere Vier-Sekunden-Anforderung für die Überbrückungszeit mit einer zusätzlichen Marge von 5 %. Zusätzliche Funktionen von Supercap Managern Die Bausteine LTC3350 und LTC3351 bieten zusätzliche Telemetrie-Funktionen über einen integrierten ADC. Diese Komponenten können die Systemspannungen, Ströme, Kapazität sowie den ESR des Superkondensatorstapels messen. Kapazitäts- und ESR-Messungen werden im Online-Betrieb mit minimalen Auswirkungen auf das System durchgeführt. Gerätekonfiguration und Messwerte werden über einen I2C/SMBus kommuniziert. Dadurch kann der Systemprozessor wichtige Parameter während der gesamten Lebensdauer der Anwendung überwachen und sicherstellen, dass die verfügbare Backup-Leistung den Systemanforderungen entspricht. Die Fähigkeit des LTC3350 und des LTC3351, die Kapazität und den ESR des Superkondensator-Stapels in Echtzeit zu messen, ermöglicht es dem Benutzer, die Klemmspannung bei neuen Kondensatoren zu reduzieren und die Backup-Anforderungen problemlos zu erfüllen. Der Prozessor, der die Telemetriedaten empfängt, kann zur Durchführung der zuvor gezeigten Berechnungen programmiert werden. Auf diese Weise könnte das System im laufenden Betrieb die minimal erforderliche Klemmenspannung berechnen, um die erforderliche Backup-Zeit unter Berücksichtigung von Echtzeit-Kapazität und ESR zu gewährleisten. Dieser Algorithmus würde die Lebensdauer des Superkondensator-Backup-Systems weiter erhöhen, da, wie in Abbildung 2 gezeigt, bei erhöhten Temperaturen die Lebensdauer der Superkondensatoren bereits durch eine geringfügige Verringerung der Klemmspannung deutlich erhöht werden kann. Zu guter Letzt verfügt der LTC3351 zu Schutzzwecken über eine Hot-Swap-Controller-Funktion. Der Hot-Swap-Controller verwendet Back-to-Back-N-Kanal-MOSFETs zur Rückwärtsstrombegrenzung, was den Einschaltstrom- und den Kurzschlussschutz in hochverfügbaren Anwendungen reduziert. Schlussfolgerung Die Berechnung der Kapazitäten, die zur Erfüllung der Backup-Spezifikationen erforderlich sind, kann als ein einfaches Problem der benötigten und gespeicherten Leistung betrachtet werden, indem die Grundlagen der Energieübertragung bei Nennwerten verwendet werden. Leider greift dieser einfache Ansatz zu kurz, wenn die Auswirkungen der maximalen Leistungsübertragung, der EOL-Kapazität eines Kondensators und des ESR berücksichtigt werden. Diese Faktoren haben großen Einfluss auf die verfügbare Energie in einem System während seiner Lebensdauer. Mit den integrierten Superkondensator-Lösungen von ADI und einer Reihe von verfügbaren Tools zur Berechnung der Backup-Zeit erhalten Analog-Ingenieure die Sicherheit, zuverlässige Überbrückungs- bzw. Backup-Lösungen mit Superkondensatoren entwickeln und bauen zu können, die die Design-Anforderungen über die gesamte Lebensdauer einer Anwendung mit minimalen Auswirkungen auf die Kosten erfüllen.

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Über die Autoren: Markus Holtkamp erwarb seinen Abschluss 1993 an der Universität Bochum. Er kam im Oktober 2010 als Field Applications Engineer (FAE) zu Linear Technology (jetzt Teil von Analog Devices), um technische Unterstützung für unsere Kunden in Mitteleuropa zu leisten. Seine Erfahrung umfasst 14 Jahre als IC-Entwickler (Hochgeschwindigkeits- und Mixed-Signal-ASICs) in einem deutschen Designunternehmen und 3,5 Jahre bei Arrow Electronics als Analog-FAE. Er ist zu erreichen unter markus.holtkamp@analog.com. Gabino Alonso ist derzeit Leiter für strategisches Marketing bei der Power by Linear™-Gruppe. Bevor er zu © Analog Devices Inc. kam, hatte er verschiedene Positionen in den Bereichen Marketing, Technik, Betrieb und Ausbildung bei Linear Technology, Texas Instruments und der California Polytechnic State University inne. Er hat einen Masterabschluss in Elektrotechnik. Er ist zu erreichen unter gabino.alonso@analog.com.