Une utilisation complète de l’énergie augmente de 40 % l’autonomie d’une alimentation de secours à supercondensateur

Par George H. Barbehenn Ingénieur d’applications Senior

Beaucoup de systèmes électroniques ont besoin d’une source d’alimentation locale de secours qui leur permet de fonctionner sans s’arrêter pendant de brèves interruptions de l’alimentation principale. Certaines sources d’alimentation locales doivent être disponibles pour exécuter un arrêt contrôlé si l’alimentation principale est supprimée brutalement.

Une batterie de sauvegarde peut fournir l’énergie dans le cas d’une panne du secteur, mais les batteries ne sont pas bien adaptées à cette application  particulière. Bien que les batteries puissent stocker une énergie importante, elles ne peuvent pas fournir une puissance élevée en raison de leur impédance de source importante. De plus, les batteries ont une durée de vie de 2 ou 3 ans, et la maintenance nécessaire aux batteries rechargeables est importante.

Les supercondensateurs conviennent bien à de telles applications d’alimentation de secours. Leur faible impédance de source leur permet de fournir une puissance importante pendant un temps relativement court et ils sont considérablement plus fiables et durables que les batteries.

DN4GB F01Figure 1. Ce circuit d’alimentation de secours à supercondensateur maximise l’autonomie grâce à un schéma de récupération d’énergie

Une utilisation complète de l’énergie maximise l’autonomie d’une application d’alimentation de secours à supercondensateurs

La figure 1 montre une application d’alimentation de secours 3,3 V / 200 mA qui maximise la quantité d’énergie extraite du supercondensateur qui est fournie à la charge.

Les principaux composants de cette application d’alimentation de secours comprennent :

•    Le chargeur complet de supercondensateur LTC®4425. Il limite la tension de chaque élément pour garantir que ces éléments ne connaîtront pas de surtension pendant la charge et seront équilibrés pendant la charge et la décharge.

•    Le régulateur abaisseur micropower LTC3606 génère la sortie régulée 3,3 V.

•    La double diode idéale LTC4416 commute et met hors circuit le supercondensateur selon les besoins.

•    Le régulateur élévateur micropower LTC3539, avec déconnexion de sortie, récupère pratiquement toute l’énergie du supercondensateur et maintient l’entrée du LTC3606 au dessus de la tension minimum lorsque la tension du supercondensateur baisse. Ce régulateur élévateur fonctionne jusqu’à 0,5 V.

Une amélioration de  40 % de l’autonomie

La figure 2 montre les graphes des signaux quand le circuit élévateur LTC3539 est désactivé. L’autonomie de l’arrêt de l’alimentation d’entrée jusqu’à ce que la tension de sortie du régulateur tombe à 3 V est de 4,68 secondes. La figure 3 montre les signaux si le circuit élévateur LTC3539 est en fonction. L’autonomie de l’arrêt de l’alimentation jusqu’à ce que la tension de sortie du régulateur tombe à 3 V est de 7,92 secondes. Noter qu’en figure 3, la sortie est une tension constante de 3,3 V avec une chute brutale.

Le fonctionnement

Quand le régulateur élévateur LTC3539 est désactivé, dès que l’alimentation d’entrée s’arrête, les diodes idéales LTC4416 commutent le supercondensateur au régulateur abaisseur LTC3606. Dans la figure 2, la tension aux bornes du supercondensateur (VSC) diminue linéairement en raison de la puissance constante absorbée par la charge de 200 mA sous 3,3 V à la sortie du régulateur abaisseur (3V3).

Dans la figure 3, quand le régulateur élévateur LTC3539 est activé, la tension aux bornes du supercondensateur (VSC) décroit linéairement en raison de la puissance constante absorbée par la charge de 200 mA sous 3,3 V à la sortie du régulateur abaisseur. Lorsque la tension à
VSC atteint 3.4V, le point de régulation du régulateur élévateur, celui-ci commute, ce qui désactive la diode idéale et déconnecte le régulateur abaisseur du supercondensateur. L’entrée d’énergie sur le régulateur abaisseur provient maintenant de la sortie 3,4 V du régulateur élévateur.

Comme l’entrée du régulateur abaisseur est maintenue à 3,4 V, sa sortie reste régulée.  Lorsque la tension d’entrée du régulateur élévateur atteint sa limite inférieure et que ce dernier s’arrête, la tension de sortie s’écroule et le régulateur abaisseur s’arrête.

Maximiser l’utilisation de l’énergie du supercondensateur

Comme chaque conversion d’énergie réduit le rendement global, le circuit élévateur doit être maintenu désactivé aussi longtemps que possible. De ce fait, il faut régler la tension de sortie du régulateur élévateur aussi près que possible de la tension d’entrée minimum du régulateur abaisseur, dans ce cas, 3,4 V.

Si le supercondensateur est initialement chargé à 5 V, alors l’énergie dans celui-ci est de  6.875J :
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Figure 2. Résultat de l'application d'alimentation de secours sans circuit élévateur.

Figure 2. Résultat de l’application d’alimentation de secours sans circuit élévateur.

Figure 3. Résultat de l'application d'alimentation de secours avec circuit élévateur activé. Ce dernier permet une amélioration de 40 % de l'autonomie.

Figure 3. Résultat de l’application d’alimentation de secours avec circuit élévateur activé. Ce dernier permet une amélioration de 40 % de l’autonomie.

La puissance de sortie est de 3,33 V • 0,2 A = 0,67 W, aussi, le pourcentage d’énergie extraite du supercondensateur, à pleine charge, lorsque le régulateur élévateur est désactivé est de 45,1 %:

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Le pourcentage d’énergie extraite du supercondensateur, à pleine charge, quand le régulateur élévateur est activé, est de 77 %:

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Ceci représente une amélioration de 40% de l’autonomie de secours, ce qui est important quand les secondes comptent.

Conclusion

L’autonomie de tout système d’alimentation de secours à supercondensateur peut être augmentée de 40 % si on utilise toute l’énergie de la décharge du supercondensateur. Ceci est particulièrement approprié si la tension de charge du supercondensateur est limitée pour garantir la fiabilité à haute température.

Source: Zellercom.com