di John Bazinet, Steve Knoth e Sam Nork,  Linear Technology

Mentre il costo di produzione dei supercondensatori (detti anche ultracondensatori) continua a scendere, questi dispositivi stanno collocandosi in una nicchia del mercato situata tra i condensatori convenzionali e le batterie. Nell’articolo si esaminano, con una panoramica esaustiva, le principali caratteristiche di questi particolari componenti e gli accorgimenti necessari alla loro corretta gestione.

Lo stato dell’arte

Sebbene i supercondensatori richiedano accorgimenti particolari per l’uso ottimale, stanno sostituendo le batterie in sistemi di memorizzazione dei dati che richiedono alimentazione di riserva di breve durata ed alta corrente. Inoltre, iniziano a essere utilizzati in un’ampia gamma di dispositivi portatili e con elevata potenza di picco che hanno bisogno di correnti impulsive elevate o di una batteria tampone per brevi periodi.

Rispetto alle batterie, i supercondensatori offrono correnti impulsive con picchi più elevati con fattori di forma inferiori e garantiscono un maggior numero  di cicli di carica in un intervallo di temperature di funzionamento più ampio. Rispetto ai normali condensatori ceramici, al tantalio o elettrolitici, offrono densità di energia superiore e capacità maggiore con peso e fattore di forma simili. Inoltre, la durata dei supercondensatori viene massimizzata riducendone la tensione limite ed evitando temperature elevate (>50°C).


Figura 1. Densità di energia in funzione della densità di potenza in un accumulatore
ParametroSupercondensatoriCondensatoriBatterie
Accumulazione dell’energiaWs di energiaWs di energiaWh di energia
Metodo di caricatensione ai terminalitensione ai terminaliA corrente e/o a tensione costante
Potenza erogatascarica rapida, riduzione lineare o esponenziale della tensionescarica rapida, riduzione lineare o esponenziale della tensionetensione costante in un lungo periodo di tempo
Tempo di carica/scaricada millisecondi a secondida picosecondi a millisecondida 1 a 10 ore
Fattore di formapiccolopiccolo – grandepiccolo – grande
Peso1 – 2 g1g – 10kgda 1g sino a oltre 10kg
Densità di energia1 – 5 Wh/kg0,01 – 0,05 Wh/kg8 – 600 Wh/kg
Tensione di funzionamento2,3 – 2,75 V/cella6 – 800 V1,2 – 4,2 V/cella
Durataoltre 100.000 ciclioltre 100.000 cicli150 – 1500 cicli
Temperatura di funzionamentoda –40 a +85 °Cda –20 a +100 °Cda –20 a +65 °C

Tabella 1. Confronto tra supercondensatori, condensatori e batterie

Sommario del confronto tra supercondensatori e batterie

  • Batterie
    • Buona densità di energia
    • Adeguata densità di potenza
    • Elevata resistenza equivalente in serie (ESR) a freddo
  • Supercondensatori
    • Adeguata densità di energia
    • Buona densità di potenza
    • Bassa ESR, anche a basse temperature (raddoppia circa a –20°C rispetto a 25°C)
  • Limitazioni dei Supercondensatori
  • Tensione limitata a 2,5V o 2,75V max
  • Corrente di spunto troppo alta quando si inserisce la batteria
  • Nessuna protezione dalla corrente inversa in applicazioni di tenuta
  • Vantaggi dei Supercondensatori in Serie
  • Consentono un migliore utilizzo dell’energia
    • E = 1/2 CV2
  • Semplificano i circuiti di riserva / del messaggio “dying gasp”
    • Funzionamento in discesa anziché boost per modalità tampone a 3,3V
  • Adatti per temperature industriali e sistemi di riserva ad alta potenza
  • Possibili Problemi dei Supercondensatori in Serie
  • Possono avere capacità diverse
  • I disadattamenti dovuti a dispersioni nei supercondensatori possono causare sovratensioni nel corso del tempo ed è necessario bilanciare continuamente le celle
  • La ESR e la capacità di un supercondensatore si degradano nel corso del tempo e non sempre alla stessa velocità
  • Il degrado di un supercondensatore viene accelerato da sovratensioni e temperature elevate

Problemi nella Progettazione dei Supercondensatori

I supercondensatori presentano dei vantaggi; tuttavia, per quanto riguarda la carica di accumulatori di energia collegati in serie, il progettista del sistema finale può dover far fronte a problemi di bilanciamento delle celle, danni alle celle dovuti a sovratensione durante la carica, assorbimento eccessivo di corrente e un ingombro notevole quando lo spazio è cruciale.

Il bilanciamento delle celle di condensatori collegati in serie assicura che la tensione ai capi di ciascun cella sia perlopiù la stessa; il mancato bilanciamento delle celle di un supercondensatore può causare danni da sovratensione. Una soluzione a questo problema è costituita da circuiti esterni con un resistore di bilanciamento per ogni cella; il valore di tale resistore dipende dalla temperatura di funzionamento del supercondensatore e dall’andamento della carica/scarica. Per limitare l’effetto dell’assorbimento di corrente dovuto ai resistori di bilanciamento sull’accumulazione di energia nel supercondensatore, i progettisti possono utilizzare, alternativamente, un circuito di bilanciamento attivo a corrente molto bassa. Un’altra causa di disadattamento fra le celle è costituita dalle differenze nella corrente dispersa; questa inizialmente ha un valore notevole nelle celle del condensatore e diminuisce nel corso del tempo. Ma se la corrente di dispersione è diversa tra le varie celle in serie, queste possono essere sottoposte a una sovratensione durante la ricarica a meno che il progettista non elimini la differenza tra le varie correnti disperse mediante i resistori di bilanciamento, che però gravano il circuito generale del sistema con componenti e correnti di carico indesiderati.

Le Sfide nella Progettazione di Integrati per la Carica dei Supercondensatori

Alcuni dei problemi più difficili a cui un progettista deve far fronte all’inizio del progetto del circuito di carica di un condensatore derivano dalla necessità di conseguire:

  • Corrente di carica elevata e ad alta efficienza. Un circuito di bilanciamento/carica di un supercondensatore buck-boost ad alta corrente ed efficienza include tutte le caratteristiche e funzionalità necessarie per sfruttare i vantaggi dei supercondensatori. Le soluzioni discrete, sebbene possibili, sono complicate, con ingombro maggiore ed efficienza minore, e sono meno precise.
  • Elevata precisione e funzionalità di condivisione del carico. Il limite della corrente d’ingresso con precisione di ±2% e la condivisione del carico d’ingresso fanno sì che più carichi possano condividere la completa funzionalità dello stesso generatore di corrente con margine/riduzione della corrente nominale minimi. Con una soluzione discreta, questa funzionalità non è realizzabile.
  • Bilanciamento attivo. La maggior parte dei sistemi a supercondensatore utilizza il bilanciamento dissipativo (con resistori). Il bilanciamento attivo trasferisce continuamente la carica fra i condensatori, eliminando le perdite di potenza e la necessità di cicli di ricarica successivi con metodi dissipativi.

Nuove Soluzioni per i Sistemi Tampone a Supercondensatori

Una soluzione per la carica dei supercondensatori che impieghi circuiti integrati buck-boost risolvendo i problemi già delineati deve presentare tutti gli attributi che seguono:

  • flessibilità: deve funzionare con efficienza in modalità di salita o discesa;
  • può eseguire un bilanciamento di carica attivo con tensione massima del condensatore programmabile;
  • assicura un’elevata corrente di carica;
  • presenta un limite programmabile della corrente d’ingresso media;
  • è compatta, a profilo basso, con ingombro ridotto;
  • è fornita in un contenitore avanzato per offrire migliori prestazioni termiche ed efficienza nell’utilizzo dello spazio disponibile.

LTC3128, un Circuito di Carica Buck-Boost per Supercondensatori con Bilanciamento Attivo

L’LTC3128 è un circuito di carica per supercondensatori di tipo buck-boost ad alta efficienza con limitazione della corrente d’ingresso e con bilanciamento attivo di carica, utilizzabile anche per due supercondensatori in serie. Presenta un limite della corrente d’ingresso media programmabile sino a 3A con precisione pari a ±2%, prevenendo il sovraccarico della sorgente e al tempo stesso riducendo il tempo di ricarica del condensatore. Il bilanciamento di carica attivo ad alta efficienza elimina la necessità di resistori dissipativi esterni, assicurando un funzionamento equilibrato e garantendo la carica anche con condensatori disadattati, nonché cicli di ricarica meno frequenti. Un circuito di limitazione della tensione massima del condensatore, programmabile, controlla continuamente la tensione ai capi di ciascun condensatore in serie e la mantiene al livello specificato, assicurando un funzionamento affidabile man mano che i condensatori invecchiano e le loro capacità non sono più uguali l’una all’altra. La topologia buck-boost a basso rumore consente di caricare il supercondensatore di uscita indipendentemente dal fatto che la sua tensione sia maggiore o minore di quella d’ingresso. Gli interruttori sincroni a ridotta carica del gate e bassa RDS(ON) offrono un’elevata efficienza di conversione, per ridurre al minimo il tempo di carica degli elementi di accumulazione dell’energia. Questa combinazione di funzionalità rende l’LTC3128 ideale per la carica in sicurezza e la protezione di condensatori di grande capacità in sistemi di alimentazione tampone. Nella Figura 2 è illustrato un tipico circuito per sistemi di riserva.


Figura 2. Tipico circuito LTC3128 per applicazioni di alimentazione di riserva

Sia il limite della corrente d’ingresso dell’LTC3128 che la tensione massima del condensatore sono programmabili mediante un solo resistore. La corrente d’ingresso media è regolata con precisione nell’intervallo di programmazione compreso fra 0,5A e 3A, mentre la tensione massima di ciascun condensatore può essere impostata fra 1,6V e 3,0V. Altre caratteristiche dell’LTC3128: corrente di riposo <2µA da VOUT nella modalità di funzionamento Burst Mode®, indicazione accurata delle condizioni di alimentazione regolare e di assenza di alimentazione, protezione dai sovraccarichi termici.

Carica efficiente

Durante la carica dei condensatori d’ingresso l’LTC3128 utilizza una modalità di regolazione PWM della corrente media d’ingresso, a frequenza costante. Un algoritmo di commutazione proprietario consente al circuito di carica di funzionare nella modalità buck o boost senza introdurre alcuna discontinuità nelle caratteristiche dell’anello o della corrente dell’induttore. La topologia di commutazione per il circuito di carica buck-boost è illustrata nella Figura 3.

Figura 3. Topologia buck-boost del circuito di carica LTC3128

Due interruttori (D ed E) collegano SW2 a VOUT per assicurare elevata efficienza nell’intero intervallo della tensione di uscita. L’LTC3128 presenta un’alta efficienza, superiore al 90%, come illustrato nel grafico della Figura 4.

Figura 4. Efficienza dell’LTC3128 in funzione di VOUT a 0,5A

Conclusione

L’LTC3128 è un circuito di carica per supercondensatori, buck-boost, con regolazione della corrente media d’ingresso, che utilizza un algoritmo di commutazione proprietario che consente di regolare l’uscita a un livello superiore, inferiore o uguale a quello della tensione d’ingresso. Questa soluzione compatta, potente e flessibile è realizzata mediante un solo chip. La possibilità di caricare un supercondensatore in salita o in discesa efficacemente e con efficienza, al tempo stesso proteggendo e bilanciando le celle, semplifica notevolmente ciò che, da sempre, ha costituito un problema di progettazione molto difficile.

Per maggior informazioni consultate il web a: www.linear.com/products/supercapacitor_chargers

Redazione