Supercaps statt Batterien: eine gute Wahl für Backup-Applikationen

Supercapacitor, Ultracapacitor, Supercap: Die Superkondensatoren füllen traditionell die Lücke zwischen konventionellen Kondensatoren und Batterien. Heute ersetzen Supercaps zunehmend Batterien in Datenspeicherapplikationen, sie überbrücken kurze Stromausfälle oder dienen als Batterie-Backup. Supercaps haben eine höhere Leistungsdichte mit höherer Spitzenleistung als Batterien, eine kleinere Bauform, überstehen mehr Ladezyklen über einen breiteren Temperaturbereich und weisen einen niedrigeren ESR auf (äquivalenter Serienwiderstand).

Verglichen mit Standardkeramik-, Tantal- oder Elektrolytkondensatoren bieten Supercaps eine höhere Energiedichte bei vergleichbarer Größe und Gewicht. Für eine lange Lebensdauer muss jedoch die Kondensator-Abschaltspannung niedrig sein und hohe Temperaturen über 50 °C sind zu vermeiden. Tabelle 1 vergleicht die Schlüsselmerkmale. Während der ESR von Batterien bei kalten Temperaturen sehr hoch wird, zeigen Supercaps auch hier einen niedrigen ESR: er liegt bei -20 °C nur doppelt so hoch wie bei +25 °C. Doch Supercaps haben auch ihre Grenzen: Sie liefern maximal 2,5 oder 2,75 V pro Zelle, in Stapeln müssen unterschiedliche Leckströme kompensiert werden und die Lebensdauer ist bei hohen Ladespannungen und hohen Temperaturen begrenzt.

Design von Supercap-Ladegeräten

Trotz aller Vorteile stellen Supercaps die Entwickler auch vor etliche Herausforderungen. Sie müssen bei Stacks mit mehr als zwei Supercaps in Serie für Zellen-Balancing sorgen, Überspannungsschäden beim Laden vermeiden sowie mit starkem Entladestrom und hohem Platzbedarf rechnen. Wenn die Applikation häufige Hochleistungs-Stromburst benötigt, dann braucht der Supercap auch hohe Ladeströme. Allerdings liefern viele Ladequellen nur einen begrenzten Ladestrom, zum Beispiel aus Batterien, USB oder PC-Card.

Schwerwiegende Folgen kann auch ein Rückstrom der Supercaps haben, wenn er durch ICs fließt. Externe Schutzmaßnahmen, wie in Serie geschaltete Gleichrichterdioden sind wegen des Spannungsabfalls nicht sehr effizient. Schottkydioden haben einen geringeren Spannungsabfall und sind somit effizienter, aber auch teurer als einfache Dioden. Andererseits bieten Feldeffekttransistoren einen geringen On-Widerstand und geringe Verluste.

Tabelle 1: Der Vergleich von Supercaps, Kondensatoren und Batterien zeigt, wo die jeweilige Technologie ihre Stärken aufweist.

Ein Powerpath-Schaltkreis mit einem internen, gesteuerten FET ist eine elegante Lösung für all diese Anforderungen. Mit Powerpath schaltet der IC-Controller, wenn die Eingangsspannung plötzlich unter die Ausgangsspannung fällt, den internen FET aus und vermeidet so eine Rückwärtsleitung vom Ausgang auf die Eingangsversorgung.

Das Zellen-Balancing von in Serie geschalteten Supercaps sorgt dafür, dass die Spannung über jeder Zelle in etwa gleich bleibt. Ohne diese Maßnahme wären Schäden durch Überspannung möglich. Für Niedrigstromapplikationen ist eine Ladungspumpe samt externer Schaltung mit einem Balancing-Widerstand eine preiswerte Lösung, wobei der Balancing-Widerstand primär vom Leckstrom des Kondensators abhängt. Um den Einfluss des Stromflusses durch den Balancing-Widerstand auf die im Supercap gespeicherte Energie zu vermindern, können Entwickler auch für niedrige Ströme eine aktive Balancing-Schaltung einsetzen.

Leck geschlagen

Ein weiterer Grund für mangelnde Zellenbalance sind Unterschiede in den Leckströmen. Leckströme in den Kondensatorzellen beginnen oft sehr hoch und verringern sich dann über die Zeit. Sind sie nicht in Balance, können in Serie geschaltete Zellen eine Überspannung beim Laden erhalten, falls der Entwickler Balance-Widerstände ausgesucht hat, die wesentlich mehr Laststrom von jedem Kondensator fordern, größer als der Leckstrom selbst. Jedoch belasten Balancing-Widerstände die Applikation mit unerwünschten Komponenten und einem dauernden Entladestrom. Sie bieten auch keinen Überspannungsschutz für jede Zelle, wenn nicht balancierte Kondensatoren mit hohen Strömen geladen werden.

Für Applikationen mit geringer oder mittlerer Leistung eignet sich eventuell ein strombegrenzender Schalter zusammen mit einigen diskreten und externen passiven Komponenten. Bei dieser Lösung liefert der strombegrenzende Schalter den limitierten Ladestrom und eine Spannungsreferenz zusammen mit einem Komparator-IC dient als Spannungsklemmschaltung. Ein Opamp (als Quelle/Senke) mit Balance-Widerstand sorgt schließlich für das Supercap Zellen-Balancing. Trotzdem, je niedriger der Wert des Ballastwiderstandes ist, umso höher ist der Ruhestrom und umso kürzer ist die Batterielebensdauer. Diese Lösung spart zwar Kosten, ist aber mühsam zu implementieren und die Leistung ist bestenfalls nur marginal besser.

Bild 1: Der Supercap-Lade-IC LTC3226 besitzt eine Ladungspumpe sowie einen LDO und stellt einen Backup-Powerpath bereit.Linear Technology

Linear Technology hat einen einfachen, aber durchdachten, monolithischen Supercap-Lade-IC entwickelt. Er kommt ohne Spule und ohne Balancewiderstände aus. Der Chip blockiert Rückwärtsströme, bietet mehrere Betriebsarten und einen niedrigen Ruhestrom: Der LTC3226 ist ein Lade-IC für Zwei-Zellen-Supercaps und stellt einen Backup-Powerpath für Li-Ion oder andere Niederspannungssysteme bereit (Bild 1). Er eignet sich damit für Applikationen, die kurzzeitige Stromausfälle überbrücken müssen.

Integrierte Lösung

Das Bauteil enthält eine rauscharme Dualmode-Ladungspumpe (1x/2x) mit konstantem Eingangsstrom. Es lädt zwei in Serie geschaltete Superkondensatoren aus einer Versorgungsspannung von 2,5 bis 5,5 V auf eine programmierbare Kondensatorladung von 2,5 bis 5,3 V. Der Ladeeingangsstrom ist über Widerstände bis zu 315 mA programmierbar. Das automatische Zellenbalancing und die Spannungsklemmung des Bauteils liefern gleiche Spannungen an beide Zellen ohne Balancingwiderstände.

Bild 2: Transienten beim Umschalten vom Normal- auf den Backup-Bbetriebsmodus des LTC3226.Linear Technology

Der LTC3226 bietet zwei Betriebsarten: normal und Backup. Die Betriebsart wird von einem programmierbaren PFI-Komparator (Power Fail) bestimmt. Im Normalmode (PFI high) fließt die Leistung durch die ideale Diode eines verlustarmen externen FET von V_IN nach V_OUT und die Ladungspumpe über dem Supercap-Stack ist eingeschaltet. Im Backup-Betrieb (PFI low) ist die Ladungspumpe ausgeschaltet und der interne LDO ist eingeschaltet, um den Laststrom V_OUT von der gespeicherten Superkondensatorladung zu beziehen, während die externe ideale Diode den Rückstromfluss in V_IN verhindert (Bild 2). Bis zu 2 A Backupstrom liefert der Supercap durch den internen LDO.

Der LTC3226 arbeitet mit einem sehr geringen Ruhestrom von nur 55 µA, wenn die Ausgangsspannung ausgeregelt ist. Die grundlegende Ladeschaltung erfordert einige externe Komponenten und etwas Platz, der IC kommt in einem kleinen 3 x 3 mm messenden QFN-Ghäuse. Dank der hohen Arbeitsfrequenz von 900 kHz genügen kleine externe Komponenten.

Die interne Strombegrenzung und thermische Abschaltung ermöglichen es dem Bauteil, einen dauernden Kurzschluss zu überleben, wenn die Pins PROG, VOUT oder CPO auf Masse kommen. Außerdem besitzt der Chip CAP PGOOD- und Input-Power-Fail-Signale sowie einen /RST-Ausgang zur Systemüberwachung. Der LTC3226 ist im kompakten 16-poligen, 0,75 mm flachen und 3 x 3 mm kleinen QFN-Gehäuse untergebracht und für den Betriebstemperaturbereich -40 … 125 °C ausgelegt.

Letztlich ersetzt der LTC3226 eine komplizierte Kombination von mehreren ICs: einen Buck/Boost-Regler für Supercap-Ladung, einen 2-A-LDO für den Rückwärtsleistungspfad, einen Vierfach-Komparator und Back-to-Back-FETs für die externe ideale Diode plus Monitoring sowie einen Opamp und verschiedene diskrete Bauteile für Schutz-Shunts und das Niedrigstrom-Balancing. Billigere Ansätze, die nur die Superkondensatoren laden und die Backup-Steuerung übernehmen (ohne die zwei Komparatoren und den Opamp), haben keine Ladestrombegrenzung und kein Niedrigstrom-Balancing, keinen Schutz für den Kondensator und kein Spannungsmonitoring.

Powerpath-Control und ideale Diode

Bild 3: Der vom LTC3226 gesteuerte Power-FET dient gleichzeitig als ideale Diode: Bei Bedarf schaltet der Chip den FET ab.Linear Technology

Der LTC3226 bietet eine ideale Diode: Der Controller steuert am GATE-Ausgang (Bild 3) das Gate eines externen Power-FETs, der zwischen Eingang V_IN, und Ausgang V_OUT liegt. Unter normalen Betriebsbedingungen bildet der externe FET den Hauptleistungspfad vom Eingang zum Ausgang. Bei leichten Lasten erzielt der Controller eine Spannungsverschiebung von 15 mV über dem FET zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung. Falls V_IN plötzlich unter V_OUT fällt, schaltet der Controller schnell den FET aus: Dadurch verhindert er eine Rückleitung von V_OUT auf die Eingangsversorgung.

Die Ladungspumpe des LTC3226 ist mit einer Spannungsklemmung versehen, die die Spannung über jeden Kondensator im Stack auf den maximalen voreingestellten Wert von 2,65 V begrenzt. Steigt die Spannung über dem oberen Kondensator (V_MID-V_CPO) auf 2,65 V bevor der CPO-Anschluss die Zielspannung erreicht, dann stoppt die Ladungspumpe das Laden des oberen Kondensators über den CPO-Anschluss, schaltet auf den 1x-Modus und liefert ihre Ladung direkt zum unteren Kondensator über den V_MID-Anschluss. Das setzt sich fort, bis die Stackspannung ihren programmierbaren Wert erreicht.

Erreicht hingegen die Spannung über dem unteren Kondensator 2,65 V bevor der Stack seinen Zielwert erreicht, liefert die Ladungspumpe weiterhin Ladung zum ans obere Ende des Stacks über den CPO-Anschluss und ein Shuntregler schaltet ein, um Ladung aus dem unteren Kondensator abzusaugen. Das verhindert, dass die Spannung an V_MID weiter ansteigt. Der Shuntreguler ist in der Lage, den maximal zulässigen Ladestrom zu übernehmen, welcher etwa 315 mA (im 1x-Modus) beträgt. Falls die Spannung an beiden Kondensatoren 2,65 V übersteigt, geht die Ladungspumpe in den Schlafmodus und deaktiviert die meisten Schaltungsteile.

Der LTC3226 ist mit einem internen Leckstrom-Balancing-Verstärker ausgerüstet, welcher die Spannung am Anschluss V_MID auf exakt die Hälfte der Spannung am CPO-Anschluss zieht. Er kann jedoch nur begrenzt Strom abgeben (etwa 4,5 mA) und aufnehmen (etwa 5,5 mA). Er wurde entwickelt, um geringe Unterschiede der Supercaps bei den Leckströmen auszugleichen, für grobe Unterschiede oder gar Defekte eignet er sich nicht. Die Balancierschaltung ist nur aktiv, so lange die Eingangsspannung über der PFI-Schwelle liegt.

Schlussbemerkung

Supercaps haben höhere Spitzenströme als Batterien, leben länger und sind kleiner. Sie stellen Produktentwickler aber vor Probleme wie das Zellen-Balancing und mögliche Überspannungsschäden der Supercap-Zellen. Als Lösung bietet Linear Technology den LTC3226 an, eine auf Ladungspumpen basierte Supercap-Ladeschaltung mit nahtloser Powerpath-Control und automatischem Zellen-Balancing, Spannungsklemmung, Rückstromschutz, verschiedenen Betriebsarten, geringem Stromverbrauch und bis zu 2 A an Backup-Strom. Da der Baustein wenig Platz braucht, eignet er sich für kompakte und einfache Gesamtlösungen.

(lei)