Para aplicaciones que utilizan supercapacitores de alto valor (decenas a cientos de faradas), se requiere un circuito de carga con una corriente de carga relativamente alta para minimizar el tiempo de recarga del sistema. Estos componentes se utilizan como dispositivos de retención de energía en aplicaciones como discos RAID de estado sólido, donde la información almacenada en memorias flash no volátiles en el momento en la que la energía se pierde.
Nota: Artículo publicado en la revista Saber Electrónica 442 de noviembre de 2009. ART5611 - Traducción técnica: Eutíquio López
Este tiempo de transferencia puede tardar varios minutos y requerir cientos de farads para mantener el suministro a la fuente de energía hasta que se complete la transferencia de información. El tiempo de recarga especificado para estos bancos de supercapacitores suele ser inferior a una hora. Para lograrlo, se requiere una corriente de carga alta. Este artículo describe el funcionamiento de un circuito de carga para supercapacitores que utiliza el CI LT3663, de Linear Technology, que posee estas raras características.
Este circuito integrado es un regulador conmutado tipo step-down de 12 A — 1,5 MHz con un límite de corriente de salida ideal para su utilización en aplicaciones de supercapacitores. El componente tiene una range con tensiones de entrada que van desde 7,5 V hasta 36 V, tiene tensión de salida configurable y un límite de corriente de salida configurable. El VOUT se obtiene con un divisor resistivo en el bucle de retroalimentación, mientras que el límite de IOUT es fijo mediante una resistencia simple conectada entre los pinos ILIM y GND (tierra). Debido a su circuito de compensación y al boost interno, el LT3663 requiere un número mínimo de componentes externos para funcionar perfectamente.
Power Ride - Through Application
En la edición de septiembre de 2008 de la edición Linear Technology Magazine, en el artículo titulado " Replace Batteries in Power Ride- Through Applications with Supercaps and 3 mm x 3 mm Capacitor Charger" Este texto muestra que la capacitancia efectiva del supercapacitor (CEFF), en 0,3 Hz, dependerá del nivel de potencia a mantener, de la tensión mínima de funcionamiento del convertidor CC/CC bajo carga, de las resistencias del circuito distribuido de los supercapacitores (incluido el ESR) y del tiempo de "hold up" (retención) requerido."
Una vez conocido el tamaño del supercapacitor, se puede determinar la corriente de carga para determinar las características del tiempo de recarga. En este caso (TRECHARGE) es lo que se necesita para recargar los supercapacitores entre la tensión mínima de funcionamiento (VUV,) del convertidor CC/CC y la tensión de carga total (VFC). La tensión en los supercapacitores individuales al inicio del ciclo de recarga es igual a la mínima tensión de funcionamiento dividida por el número de supercapacitores en serie.
A partir de este punto, este artículo describe una aplicación con solo dos supercapacitores en serie. La corriente de recarga (IRECHARGE) está determinada por la ecuación de control de carga del capacitor, como se muestra a continuación:
En este contexto, se supone que la tensión a través del supercapacitor no se descarga a un valor inferior a VUV/N. Esta consideración sólo será válida si el intervalo de tiempo durante el cual no hay energía disponible es tal que la corriente de escape de los supercapacitores no ha reducido significativamente la tensión a través del capacitor.
La tensión a través del supercapacitor puede aumentar ligeramente después de que el convertidor CC/CC termine de funcionar debido al efecto de absorción dieléctrica. El tiempo de carga inicial TCHARGE Para un banco de supercapacitores (completamente descargados), la ecuación es:
La figura 1 muestra el diagrama de bloques para esta aplicación con un cargador de dos supercapacitores en serie.
Circuito de carga utilizando el Cl LT3663
El circuito de carga se obtiene conectando al resistor RILIM entre los pinos ILIM y GND (tierra). La Tabla 1 muestra las corrientes de carga nominales para varios valores de RILIM.
La tensión (a plena) carga se obtiene mediante el divisor resistivo en el bucle de retroalimentación. La tabla 2 ilustra varios valores de RFB2 (resistor entre el pino FB y tierra) cuando el resistor RFB1 (colocado entre los pinos VOUT y FB) vale 200 kΩ.
La figura 2 muestra el circuito de carga para cada supercapacitor.
Circuito de Control para la Carga de los Supercapacitores
El circuito de control que se muestra en la figura 3 se utiliza para equilibrar las tensiones de los supercapacitores durante el período de su carga. Esto se logra priorizando la corriente de carga para el supercapacitor de menor tensión, habilitando el circuito de carga y deshabilitando para el otro supercapacitor.
Si el circuito de carga "de cima"(top) está habilitado mientras el “de inferior” (bottom) está deshabilitado, el supercapacitor inferior se carga mediante la corriente de retorno (de entrada) del cargador superior. Esta corriente de retorno es una fracción de la corriente de carga, por lo que el supercapacitor superior se carga más rápido.
El circuito de control consta de un regulador LDO de 3,3 V (U6) y una referencia de precisión de 1,25 V (U7). U1 y U2 están configurados como amplificadores diferenciales con una ganancia igual de 1 para medir la tensión en cada supercapacitor, mientras que U3 es un amplificador diferencial de nivel para determinar la diferencia de tensión entre los dos supercapacitores. Al desplazar el nivel de salida de U3 con respecto a la tensión de referencia, los dos comparadores en U4 determinan qué supercapacitor debe cargarse.
Se utiliza un par adicional de resistores de desplazamiento de nivel (R14 y R15, R16 y R17) para permitir la carga de ambos supercapacitores cuando se encuentran dentro de una “ventana” de tensión de 50 mV. Cuando ambos están cargados, el supercapacitor de menor tensión se carga más rápido porque su corriente consiste en da corr. Autocarga más la corriente de retorno del cargador superior.
Este efecto se puede observar en la figura 4. La señal de habilitación del cargador inferior conmuta (se alterna) de modo que el supercapacitor inferior se carga más rápido que el superior para mantener la diferencia de 50 mV entre ambos. En este ejemplo, CTOP = BOT= 50 F.
La figura 5 muestra el efecto de un desconsamento de 2 a 1 en los valores de capacitancia, donde el supercapacitor superior es de 50 F y el inferior es de 100 F.
Ahora, la tensión en el supercapacitor inferior aumenta más lentamente y el cargador del super capacitador superior habilita la señal de conmutación para permitirle mantener el equilibrio de tensión.
Conclusión
El CI LT3663 esto permite el proyecto y la construcción de un circuito de carga de supercapacitores de bajo componente, incluidos configuraciones para la tensión de carga completa y el límite de corriente de salida, lo cual es ideal para utilizar con capacitores con grandes valores de capacitancia (decenas de farads).
Un circuito de control puede monitorear y equilibrar la tensión en cada capacitor, incluso si el supercaps son muy desiguales, tanto en valor de capacitancia como en la tensión inicial.
