Des supercondensateurs remplacent les batteries dans les applications d’alimentation de secours grâce à un  chargeur de 3 mm × 3 mm

Par Jim Drew Ingénieur d’applications senior Linear Technology

Introduction

Les supercondensateurs trouvent leur place dans un nombre croissant d’applications de stockage d’énergie à court terme. Une de ces applications est un circuit d’alimentation de secours dans lequel une source d’énergie de secours se déclenche et alimente la charge lorsque l’alimentation principale cesse pendant un court instant. Ce type d’applications utilisait, dans le passé, des batteries, mais les supercondensateurs les remplacent rapidement parce que le prix par farad, la taille et la résistance équivalent série par unité de capacité continuent de baisser.

Dans une application d’alimentation de secours, on doit charger des supercondensateurs en série et équilibrer les tensions de chaque élément. Les supercondensateurs sont commutés sur le circuit d’alimentation lorsque c’est nécessaire et la puissance transmise à la charge est contrôlée par un convertisseur continu/continu. Les caractéristiques importantes dans le choix d’une application d’alimentation de secours comprennent une petite taille de boîtier, un courant de charge programmable, un équilibrage automatique de la tension de chaque élément et un faible courant de drain sur les supercondensateurs ainsi qu’un chargeur à faible bruit et courant constant.

[b]Caractéristiques d’un supercondensateur[/b]
Les supercondensateurs sont proposés en plusieurs tailles, par exemple, un supercondensateur de 10 F/2,7 V est disponible en modèle radial à deux broches de 10 mm × 30 mm avec une résistance équivalente série (ESR) de 25 mΩ tandis qu’un supercondensateur de 350 F/2,5 V avec une ESR de 1,6 mΩ est disponible au format d’une batterie D. Un avantage apporté par les supercondensateurs par rapport aux batteries est leur grande durée de vie. Un supercondensateur est spécifié pour plus de 500 000 cycles ; une batterie pour seulement quelques centaines de cycles. C’est un composant qu’on peut “installer et oublier” parce qu’il ne nécessite que peu ou pas de maintenance.
Deux paramètres du supercondensateur critiques pour une application sont la tension d’élément et le courant de fuite initial. Les fabricants de supercondensateurs spécifient le courant de fuite après 100 heures d’application de la tension bien que le courant de fuite initial de ces 100 premières heures puisse atteindre jusqu’à 50 fois cette valeur spécifiée.

La tension aux bornes du condensateur a un effet important sur sa durée de vie. Lorsqu’ils sont montés en série, il faut équilibrer les tensions de chaque élément des supercondensateurs pour éviter la surcharge d’un des condensateurs en série. L’équilibrage passif des éléments est une technique simple et répandue. L’inconvénient de cette technique est que le condensateur se décharge dans la résistance d’équilibrage lorsque le circuit de charge est désactivé. La règle de base de ce schéma est de fixer la résistance d’équilibrage à 50 fois le courant de fuite dans le cas le plus défavorable estimé à 2 µA/Farad.
Une alternative est d’utiliser un circuit d’équilibrage automatique actif des éléments ne dissipant pas d’énergie, comme le LTC3225, pour fixer la tension de l’élément. Le LTC3225 présente une charge de moins de 4 µA pour le supercondensateur en mode arrêt et moins de 1 µA lorsque l’alimentation d’entrée est retirée. Le LTC3225 génère un courant de charge programmable jusqu’à 150 mA, pour charger deux supercondensateurs en série tout en équilibrant la tension sur chacun d’entre eux.

Applications d’alimentation de secours

Pour fournir une tension constante à la charge, un convertisseur continu/continu est nécessaire entre le supercondensateur et la charge. Lorsque la tension aux bornes du supercondensateur diminue, le courant demandé par le convertisseur continu/continu augmente pour fournir une puissance constante à la charge. Le convertisseur continu/continu sort de la plage de régulation lorsque la tension d’entrée atteint sa tension de fonctionnement minimum (VUV).
Pour estimer les exigences du supercondensateur, il faut déterminer la résistance effective du circuit (RT). RT est le somme de l’ESR du supercondensateur et des résistances distribuées du circuit.

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Si l’on admet que 10 % de la puissance d’entrée est perdue dans la résistance effective du circuit lorsque le convertisseur continu/continu est à VUV, RT dans le cas le plus défavorable est de
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La tension nécessaire aux bornes du supercondensateur au seuil VUV du convertisseur continu/continu est de

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La capacité effective nécessaire peut être calculée à partir du temps de fonctionnement de secours exigé (TRT), et de la tension initiale aux bornes du condensateur (VC(0)) ainsi que de VC(UV).

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L’ESR d’un supercondensateur diminue lorsque la fréquence augmente. Les fabricants spécifient habituellement l’ESR à 1 kHz, et certains publient à la fois les valeurs en continu et à 1 kHz. La capacité des supercondensateurs décroît également lorsque la fréquence augmente et est habituellement spécifiée en  continu. Lorsqu’on utilise un supercondensateur dans une application d’alimentation de secours où l’alimentation est assurée de quelques secondes à quelques minutes, il convient d’utiliser des mesures de capacité effective et d’ESR à basse fréquence, par exemple comme 0,3 Hz.

Applications

La figure 1 montre deux supercondensateurs de 10 F, 2,7 V connectés en série et chargés à 4,8 V qui peuvent supporter jusqu’à 20 W. Le LTC3225 est utilisé pour charger les supercondensateurs à 150 mA et assurer l’équilibrage des éléments, tandis que le LTC4412 assure la fonction de passage en mode secours automatique. Le convertisseur µModule, continu/continu à découpage, à deux sorties, LTM4616 génère les tensions de sortie de  1,8 V et 1,2 V.

La figure 2 montre un système d’alimentation 12 V qui utilise six supercondensateurs de 10 F, 2,7 V en série chargés par trois LTC3225 réglés à 4,8 V pour un courant de charge de 150 mA. Les trois LTC3225 sont alimentés par trois sorties 5 V, flottantes, générées par le contrôleur flyback LT1737. La sortie de ce pack de six supercondensateurs s’effectue dans un montage à diodes OU via le double contrôleur à diode idéale LTC4355. Le régulateur continu/continu µModule LTM4601A génère 1,8 V sous 11 A à partir des sorties OU. La broche MON1 du LTC4355 est forcée à 10,8 V dans cette application.

Conclusion

Les supercondensateurs répondent aux demandes des applications d’alimentation de secours dont les exigences, quant à la durée de fonctionnement, vont de quelques secondes à quelques minutes. Les supercondensateurs présentent une longue durée de vie, nécessitent peu de maintenance, sont légers et sont une solution plus écologique que les batteries. Le LTC3225 fournit une solution compacte et à faible bruit pour la charge et l’équilibrage des éléments de supercondensateurs connectés en série.

Figure 1. Application d'alimentation de secours 5 V

Figure 1. Application d’alimentation de secours 5 V

Figure 2. Application d'alimentation de secours 12 V

Figure 2. Application d’alimentation de secours 12 V

Source: Zellercom.com