Концепция использования суперконденсаторов (также известных как ультраконденсаторы, ионисторы и т. д.) и замены аккумуляторов в портативных микромощных приложениях [1] набирает популярность. Фактически, это стало одной из самых заметных технических тенденций последнего времени.
Суперконденсаторы, используемые в качестве источника питания, обладают огромными преимуществами перед традиционными аккумуляторами. Например, они отличаются высокой устойчивостью к коротким замыканиям, очень коротким циклом зарядки и способностью выдерживать практически неограниченное число циклов заряда-разряда (до 1 миллиона циклов по сравнению с 1000 у аккумуляторов), обеспечивая тем самым экологически чистое решение «без одноразовых деталей». Кроме того, большинство суперконденсаторов соответствуют требованиям Европейского союза по ограничению содержания опасных веществ (RoHS).
Фундаментальное различие между суперконденсаторами и аккумуляторами с точки зрения конструкции заключается в существенном изменении напряжения во время циклов заряда-разряда конденсатора, которое теоретически изменяется от нуля до максимального номинального напряжения, в то время как напряжение на клеммах аккумулятора во время ее рабочего цикла меняется лишь незначительно. Суперконденсаторы являются разновидностью электрических конденсаторов. Таким образом, эффективная энергия EEFF, которая может быть получена от суперконденсатора емкостью C во время цикла разряда, когда напряжение на выводах изменяется от максимального значения VMAX до минимального рабочего напряжения VMIN питаемого устройства, может быть рассчитана как:
(1) |
Соответственно, коэффициент энергоэффективности (EER) можно определить как:
(2) |
где EMAX обозначает общую энергию, запасенную в конденсаторе. Формула (2) ясно показывает, что коэффициент энергоэффективности резко возрастает по мере снижения минимального рабочего напряжения VMIN питаемой электронной схемы из-за меньшего количества остаточной электрической энергии, остающейся в конденсаторе. EER – очень важный фактор проектирования, который следует учитывать при проектировании любой электронной схемы с конденсаторным питанием.
Рисунок 1. | График коэффициента энергоэффективности конденсатора (EER) для VMAX = 5 В показывает резкое снижение при увеличении VMIN от 1.0 В до 3.6 В. |
В Таблице 1 и на соответствующем графике на Рисунке 1 показан пример EER, рассчитанного для схемы с питанием от конденсатора с максимальным напряжением на выводах VMAX = 5 В.Довольно заметно, что EER увеличивается с 48% до 96%, когда минимальное рабочее напряжение VMIN питаемого электронного устройства изменяется с 3.6 В до 1 В. Поэтому «сжатие рабочего напряжения устройства» является основным соображением при проектировании электроники с конденсаторным питанием.
Таблица 1. | EER для VMAX = 5 В | ||||||||||||||||
|
Цель может быть достигнута путем использования сверхмалопотребляющего повышающего DC/DC преобразователя (например, бездроссельного типа, описанного в [2], работающего всего от 0.7 В), но это может увеличить стоимость конструкции и потребление энергии. Второй альтернативой является использование специальной технологии проектирования, направленной на обеспечение работы устройства при сверхнизком напряжении.
Хороший пример такой низковольтной схемы описан в [3]. Предлагаемый микромощный, сверхнизковольтный двухполупериодный бездиодный выпрямитель отлично вписывается в парадигму проектирования электроники с конденсаторным питанием (Рисунок 2).
Рисунок 2. | В простейшем прецизионном двухполупериодном бездиодном выпрямителе используются один rail-to-rail операционный усилитель и три согласованных резистора. |
Чтобы понять принцип работы схемы, важно отметить, что операционный усилитель работает в режиме однополярного питания. Если на вход подается сигнал положительной полярности (VIN > 0), выходное напряжение операционного усилителя становится равным нулю, и вся схема фактически превращается в простую пассивную цепь из трех резисторов R1, R2 и R3, соединенных последовательно. Когда входной сигнал становится отрицательным, операционный усилитель возвращается к «нормальной линейной жизни» и работает как обычный инвертирующий усилитель. Для получения симметричного выходного сигнала для отрицательных и положительных полуволн сопротивления R1, R2 и R3 необходимо выбрать так, чтобы они соответствовали условию:
(3) |
Поскольку условие формулы (3) выполняется, в точке 2 схема имеет коэффициент усиления, равный половине. Для получения общего единичного усиления можно добавить дополнительный неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления два, обеспечивающий операционное уравнение VOUT = |VIN|.
Схема имеет определенные ограничения: ее входное сопротивление различно для положительных и отрицательных входных напряжений. Теоретически, сопротивление равно R1 + R2 + R3 для положительных напряжений и только R1 для отрицательных. Кроме того, входная паразитная емкость CP операционного усилителя влияет на работу с сигналами переменного тока, особенно в высокочастотном диапазоне. (Подробный анализ характеристик для переменного тока выходит далеко за рамки этой статьи. Для практического проектирования я бы рекомендовал использовать моделирование в Spice).
В схеме могут использоваться различные микромощные rail-to-rail операционные усилители, например, сдвоенный LMC6442 (VMIN = 1.8 В), сдвоенный MAX4289 (VMIN = 1.0 В) или аналогичные типы.
Поскольку прямое падение напряжения типичного кремниевого диода составляет порядка 0.6 В, выходной динамический диапазон сокращается за счет «отъедания» этих самых 0.6 В от напряжения питания. Это соображение становится довольно важным при создании электроники с конденсаторным питанием, где напряжение питания схемы должно быть как можно более низким. По этой причине предлагаемая бездиодная конструкция лучше подходит для работы в режиме питания от конденсатора. Она позволяет сэкономить ценные 0.6 В (что является довольно значительной величиной, учитывая возможность работы операционного усилителя при напряжении 1 В), а значит, снизить минимальное рабочее напряжение схемы и повысить общий EER решения.
Ссылки
- Bell, Alexander, “Single Capacitor Powers Audio Mixer,” EDN, Mar. 14, 1997.
- Bell, Alexander, “Single niCd Cells Drive Op Amp,” EDN, Dec. 5, 1996.
- Bell, Alexander, “Simple Full-Wave Rectifier,” Electronic Design, Apr. 4, 1994, p. 78.