כיצד להשתמש בסופר-קבל יחיד כאספקת-כוח גיבוי עבור אספקה של 5 וולט

פתרונות אספקת-כוח גיבוי, פעם מוגבלים להתקני משימה-קריטית, כעת נדרשים עבור תחום רחב של יישומים אלקטרוניים במוצרים סופיים תעשייתיים, מסחריים וצריכה. בעוד שישנן מספר אפשרויות, הסופר-קבל מציע את הפתרון הקומפקטי וצפוף-האנרגיה ביותר כמאגר אנרגיה כשהאספקה הראשית נקטעת. לדוגמה, כשיש‏ הפסקת חשמל או כשמחליפים סוללות.

עם זאת, סופר-קבלים מציבים אתגרי תכנון מאחר וכל התקן יכול לספק עד 2.7 וולט בלבד. פוטנציאלית זה אומר שיש צורך בסופר-קבלים מרובים, כל אחד עם איזון תא מקושר וממירים מעלים (Boost‏) או מורידים (Buck) מתח, כדי לספק כוח מיוצב לפס מתח של 5 וולט. התוצאה היא מעגל מורכב ומותאם-במיוחד שהוא יקר יחסית ותופס מקום מוגזם על הלוח.

מאמר זה משווה סוללות עם סופר-קבלים ומסביר מדוע האחרונים מציעים מספר יתרונות טכניים עבור יישומים אלקטרוניים קומפקטיים, מתח נמוך. אחר כך, המאמר מסביר כיצד לתכנן פתרון‏ פשוט ואלגנטי של אספקת-כוח לפס‏ 5 וולט תוך שימוש בקבל יחיד בלבד משולב עם ממיר מתח Boost‏/Buck‏ הפיך.‏

סוללות לעומת סופר-קבלים

אספקת-כוח אל-פסק הפכה לאלמנט קריטי של חוויית משתמש משביעת רצון עבור התקנים אלקטרוניים מודרניים. ללא אספקת-כוח‏ קבועה, מוצרים אלקטרוניים לא רק מפסיקים לעבוד, הם גם יכולים לאבד אינפורמציה חיונית. לדוגמה, מחשב אישי (PC) מחובר לאספקת-כוח של הרשת יאבד נתונים השמורים ב-RAM הנדיף במקרה של הפסקת חשמל. או משאבת‏ אינסולין עלולה לאבד קריאות חשובות של גלוקוזה בדם מזיכרון נדיף במהלך החלפת סוללה.

דרך אחת למנוע את זה מלקרות היא שילוב‏ סוללת גיבוי המאחסנת אנרגיה, שניתנת אחר כך לשחרור במקרה של תקלה במקור אספקת-הכוח העיקרי. סוללות ליתיום-יון (Li-ion) הן טכנולוגיה בוגרת ומציעות צפיפות אנרגיה טובה מאוד, שמאפשרת ‏להתקן יחסית קומפקטי להציע אספקת-כוח גיבוי לפרקי-זמן ממושכים.

אך ללא קשר לכימיה הבסיסית שלהן, לכל הסוללות יש מאפיינים שונים שיכולים להוות בעיה בתנאים מסוימים. לדוגמה, הן כבדות יחסית, לוקח להן זמן רב‏ יחסית להיטען מחדש (שיכול להוות בעיה במקרה של הפסקות חשמל תכופות), התאים ניתנים לטעינה מחדש מספר פעמים מוגבל (מעלה את עלויות התחזוקה), והחומרים הכימיים מהם הן עשויות יכולים להציב סכנות בטיחות וסכנות סביבתיות.

פתרון חלופי עבור אספקת-כוח גיבוי הוא הסופר-קבל, הידוע גם כאולטרה-קבל. סופר-קבל ידוע טכנית כקבל דו-שכבתי חשמלי (EDLC). ההתקן בנוי על ידי שימוש באלקטרודת פחם חיובית ואלקטרודת פחם שלילית, סימטריות ויציבות מבחינה אלקטרוכימית. אלקטרודות אלו מופרדות על ידי מפריד מבודד חדיר-יונים, בנוי בתוך מיכל‏ ממולא באלקטרוליט מלח/ממיס אורגני. האלקטרוליט מתוכנן למקסום מוליכות יונית והרטבת אלקטרודה. השילוב של אלקטרודות פחם מופעלות שטח-פנים גדול עם הפרדת מטען קטנה ביותר נותן את התוצאה של קיבול גבוה הרבה יותר של‏ סופר-קבל, בהשוואה לקבלים קונבנציונליים (איור 1‏).

איור 1‏: סופר-קבל משתמש באלקטרודת פחם חיובית ואלקטרודת פחם שלילית סימטריות, מופרדות על ידי מפריד חדיר-יונים משוקע באלקטרוליט. השילוב של אלקטרודות בעלות שטח-פנים גדול והפרדת מטען קטנה ביותר נותן את התוצאה של קיבול גבוה. (מקור תמונה: Maxwell Technologies)

מטען נשמר אלקטרוסטטית על ידי הצטברות הפיכה של האלקטרוליט על גבי שטח-הפנים הגדול של אלקטרודות הפחם. הפרדת מטען מתרחשת עם קיטוב במשטח האלקטרודה/האלקטרוליט, תוך יצירת שכבה כפולה אפונימית. מנגנון זה הוא הפיך ביותר, דבר המאפשר לסופר-קבל להיטען ולהתפרק מאות אלפי פעמים, אם כי ישנה ירידה מסוימת בקיבול עם הזמן.

בשל ההסתמכות שלהם על המנגנון האלקטרוסטטי לאגור אנרגיה, הביצועים החשמליים של סופר-קבלים הם צפוים יותר משל סוללות, וחומרי הבנייה שלהם עושים אותם לאמינים יותר ופחות רגישים לשינויי טמפרטורה. מבחינת בטיחות, סופר-קבלים כוללים פחות חומרים נדיפים מסוללות וניתנים לפריקה מלאה עבור הובלה בטוחה.

יתרון נוסף בהשוואה לסוללות שניוניות, סופר-קבלים נטענים הרבה יותר מהר, כך שאם קורית הפסקת חשמל זמן קצר אחרי התקלה הראשונה, אספקת-כוח גיבוי זמינה מיידית, והם לא ניתנים לטעינת-יתר. סופר-קבלים יכולים גם לעמוד בהרבה יותר מחזורי טעינה, ובכך מקטינים עלויות תחזוקה.

יתר על כן, סופר-קבלים מציעים‏ צפיפות הספק גבוהה בהרבה (מידה של כמות האנרגיה הניתנת לאגירה או לספק ביחידת זמן) מסוללות. זה מבטיח לא רק טעינה מהירה אלא גם מאפשר במידת הצורך פרצי זרם גבוהים, ובכך מאפשר את השימוש בהם עבור גיבוי אספקת-כוח לרוחב יותר יישומים (איור 2‏). יתר על כן, לסופר-קבלים יש התנגדות טורית אפקטיבית (ESR‏) הרבה יותר נמוכה מסוללות. זה מאפשר להם לספק אספקת-הכוח בנצילות גבוהה יותר ללא כל סכנה של התחממות-יתר. נצילות המרת כוח של סופר-קבל גדולה מ-98% היא אופיינית.

איור 2: סוללות נטענות יכולות לספק-כוח לפרקי-זמן ארוכים בזרמים צנועים אך דורשות זמן רב להיטען מחדש. לעומת זאת, סופר-קבלים (או אולטרה-קבלים) מתפרקים במהירות בזרם גבוה אך גם נטענים מחדש במהירות. (מקור תמונה: Maxwell Technologies)

החיסרון העיקרי של סופר-קבלים הוא צפיפות האנרגיה הנמוכה יחסית שלהם (מידה של כמות האנרגיה האגורה ליחידת נפח) בהשוואה לסוללות נטענות. הטכנולוגיה של היום מאפשרת‏ לסוללת ליתיום-יון (Li-ion) לאגור פי עשרים יותר אנרגיה בהשוואה לסופר-קבל באותו נפח. המרווח מצטמצם כשחומרים חדשים משפרים סופר-קבלים, אך ישאר כנראה משמעותי לשנים רבות. חיסרון בולט נוסף של סופר-קבלים הוא העלות הגבוהה יחסית בהשוואה לסוללות ליתיום-יון (Li-Ion).

שיקולי תכנון עבור סופר-קבלים

אם על מוצר אלקטרוניקה לסמוך על‏ סופר-קבל עבור אספקת-כוח גיבוי, חיוני שהמתכנן יבין כיצד לבחור את הרכיב הטוב ביותר עבור אחסון והעברת אנרגיה אמינים, וחיים ארוכים.

אחד הדברים הראשונים לבדוק בגיליון הנתונים הוא השפעת הטמפרטורה על קיבול והתנגדות. פרקטיקת תכנון טובה היא לבחור התקן המציג שינוי מועט ביותר לרוחב תחום טמפרטורות העבודה המיועד של המוצר הסופי כך שאם דרושה אספקת-כוח גיבוי, המתח המסופק הוא יציב והאנרגיה נמסרת ביעילות.

אורך חיי סופר-קבל נקבע במידה רבה על ידי האפקט המשולב של מתח וטמפרטורת עבודה (איור 3‏). הסופר-קבל נכשל באופן קטסטרופלי לעיתים רחוקות. במקום זה, הקיבול וההתנגדות הפנימית שלו משתנים עם הזמן וגורמים לירידה הדרגתית בביצועים עד שהרכיב אינו מסוגל יותר לעמוד במפרטי המוצר הסופי. הירידה בביצועים בדרך כלל גדולה יותר בתחילת חיי המוצר הסופי והיא קטנה עם העליה בגיל המוצר הסופי.

איור 3: טמפרטורות ומתחים מיושמים גבוהים יותר יכולים לקצר חיי סופר-קבל. (מקור תמונה: Elcap,‏ CC0, באמצעות Wikimedia Commons, מותאם על ידי המחבר)

הסופר-קבל, כשמשמש ביישום אספקת-כוח גיבוי, יוחזק במתח העבודה לפרקי-זמן ארוכים ורק לעיתים רחוקות במיוחד יקרא לפרוק את האנרגיה המאוחסנת שלו. זה בסופו של דבר ישפיע על הביצועים. גיליון הנתונים יציין את הירידה בקיבול עם הזמן עבור מתחי עבודה אופייניים ובטמפרטורות שונות. לדוגמה, הפחתה של 15% בקיבול וגידול של 40% בהתנגדות הפנימית יכולים לקרות לסופר-קבל המוחזק ב-2.5 וולט למשך 88,000 שעות (‏10 שנים) ב-25‎˚C. יש לשקול ירידת ביצועים כזאת כשמתכננים התקני גיבוי עבור מוצרים סופיים עם חיי שירות ארוכים.

קבוע הזמן של קבל הוא הזמן שלוקח להתקן להגיע ל-63.2% טעינה מטעינה מלאה או 36.8% פריקה מטעינה מלאה. קבוע הזמן של‏ סופר-קבל הוא סביב שנייה אחת; זה קצר בהרבה מקבוע הזמן של קבל אלקטרוליטי. בשל קבוע זמן קצר זה, על המתכנן להבטיח שהסופר-קבל לאספקת-כוח גיבוי אינו חשוף לזרם אדווה רציף, כי התוצאה יכולה להיות נזק.

סופר-קבלים יכולים לעבוד בין 0 וולט למתח הנקוב המקסימלי שלהם. אף על פי ששימוש יעיל של האנרגיה המאוחסנת הזמינה של הסופר-קבל מושג כשעובדים בתחום המתחים הרחב ביותר, למרבית הרכיבים האלקטרוניים יש סף מתח‏ מינימלי. דרישת מתח מינימלי זו מגבילה את כמות האנרגיה שניתן למשוך מהקבל.

לדוגמה, האנרגיה השמורה בקבל היא E = ½CV². מיחס זה ניתן לחשב שבערך 75% מהאנרגיה הזמינה נגישה אם המערכת עובדת במחצית המתח הנקוב של הקבל (לדוגמה מ-2.7 עד 1.35 וולט).

אתגרי תכנון כשמשתמשים בסופר-קבלים מרובים

בעוד היתרונות של סופר-קבלים עושים אותם מתאימים לאספקת-כוח גיבוי עבור מגוון רחב של מוצרים אלקטרוניים, מתכננים חייבים להיות ערים לאתגרי התכנון שהם מציבים. מימוש מעגל ‏אספקת-כוח גיבוי יכול להיות‏ משימה משמעותית עבור מהנדס חסר ניסיון. המורכבות העיקרית היא שסופר-קבלים מסחריים מדורגים עבור סביבות 2.7 וולט , כך שכדי לספק פס מתח אופייני של 5 וולט יש להשתמש בשני סופר-קבלים בטור (איור 4‏).

איור 4: סופר-קבלים מסחריים מדורגים עבור סביבות 2.7 וולט , כך שכדי לספק פס מתח אופייני של 5 וולט יש להשתמש בשני סופר-קבלים בטור, דבר המסבך את תהליך התכנון. (מקור תמונה: Maxim Integrated)

בעוד זהו ‏פתרון משביע רצון, הוא כרוך בעלויות ומורכבויות נוספות בגלל הצורך באיזון אקטיבי או פסיבי של תאים. בשל טולרנסים של קיבול, זרמי זליגה שונים והתנגדויות טוריות אפקטיביות (ESRs‏) שונות, המתח על פני שניים או יותר קבלים זהים נומינלית וטעונים במלואם יכול להיות שונה. חוסר איזון מתח זה גורם לכך שסופר-קבל אחד במעגל גיבוי מספק מתח גבוה יותר מהשני. עם העליה בטמפרטורה ו/או התישנות הסופר-קבלים, חוסר איזון מתח זה יכול לגדול עד לנקודה בה המתח על קבל אחד חורג מהסף הנקוב של אותו התקן ומשפיע על חיי העבודה.

איזון תאים ביישומים בעלי יחס-מחזור (duty-cycle) נמוך מושג בדרך כלל על ידי חיבור נגד מעקף במקביל לכל תא. הערך של הנגד נבחר להיות ערך המאפשר לכל זרימת זרם לשלוט על זרם הזליגה הכולל של סופר-קבל. טכניקה זו למעשה מבטיחה שכל שינוי בהתנגדות מקבילית שקולה בין הסופר-קבלים היא זניחה. לדוגמה, אם הסופר-קבלים במעגל הגיבוי הם בעלי זרם זליגה‏ ממוצע של ‏10 מיקרו-אמפר (μA‏), נגד של 1%‏ יאפשר זרם מעקף של ‎100 μA, תוך הגדלת זרם הזליגה הממוצע ל-‎110 μA‏. בכך, הנגד למעשה מקטין את השינוי בזרם הזליגה בין הסופר-קבלים מעשרות אחוזים למספר אחוזים בלבד.

עם נגדים מקבילים מותאמים היטב למדי, כל הסופר-קבלים עם מתחים גבוהים יותר יתפרקו דרך הנגד המקבילי שלהם בקצב גבוה יותר מהסופר-קבלים עם מתחים נמוכים יותר. זה מחלק את המתח הכולל במידה שווה על כל סדרת הסופר-קבלים. עבור יישומי עבודה מאומצת, דרוש איזון סופר-קבלים מתוחכם יותר.

שימוש בסופר-קבל יחיד עבור אספקה של 5 וולט

מעגל אספקת-כוח הגיבוי יכול להיות פחות מורכב ולתפוס פחות מקום‏ אם משתמשים בסופר-קבל יחיד במקום שניים או יותר. סידור כזה מונע את הצורך באיזון סופר-קבלים. עם זאת, יש להגדיל את יציאת ה-2.7 וולט‏ מהתקן‏ יחיד על ידי שימוש במייצב מתח מעלה מתח (Boost)‏, ליצור מתח מספיק כדי להתגבר על נפילת המתח על דיודה ולספק ‏5‏ וולט למערכת. הסופר-קבל נטען על ידי התקן טעינה ונפרק דרך ממיר מעלה המתח, כשצריך. דיודות מאפשרות הזנת המערכת על ידי מקור הכוח העיקרי או הסופר-קבל (איור 5‏).

איור 5‏: שימוש בסופר-קבל‏ יחיד ‏במעגל גיבוי אספקת-כוח מונע את הצורך באיזון תאים אך דורש‏ מייצב מעלה-מתח כדי להגדיל את מתח היציאה של הסופר-קבל. (מקור תמונה: Maxim Integrated)

פתרון ‏אלגנטי יותר הוא להשתמש בקבל יחיד עם השלמה של ממיר מתח יעודי, כגון מייצב מתח Buck-Boost‏ הפיך MAX38888 או MAX38889 של Maxim Integrated. הראשון מציע 2.5‏ וולט עד ‏5‏ וולט ויציאה של עד 2.5‏ אמפר (A‏), בעוד השני הוא התקן 2.5‏ וולט עד 5.5 וולט‏, A‏ 3‏ (איור 6‏).

איור 6‏: מייצבים הפיכים MAX38889 (או MAX38888), כשמשמשים במעגל גיבוי אספקת-כוח סופר-קבל, מונעים את הצורך בהתקני טעינה והעלאת מתח (Boost‏) נפרדים‏ ודיודות. (מקור תמונה: Maxim Integrated)

ה-MAX38889‏ הוא קבל אחסון גמיש או מייצב גיבוי קבוצת קבלים עבור העברת אנרגיה יעילה בין הסופר-קבל(ים) ופס אספקה של מערכת. כשהאספקה הראשית נוכחת והמתח שלה הוא מעל הסף המינימלי של מתח האספקה למערכת, המייצב עובד במצב טעינה וטוען את הסופר-קבל עם זרם משרן ממוצע של ‎1.5 A, זרם שיא מקסימלי של ‎3 A. הסופר-קבל חייב להיות טעון במלואו כדי לאפשר פעולת גיבוי. כשהסופר-קבל טעון, המעגל מושך זרם של 4‎ μA בלבד, תוך שמירת הרכיב במצב המוכן שלו.

כשהאספקה הראשית חסרה, המייצב מונע מהמערכת ירידה מתחת למתח עבודת הגיבוי המוגדר של המערכת, על ידי העלאת מתח הסופר-קבל למתח המערכת הדרוש, בזרם משרן שיא מתוכנת, עד למקסימום של A‏ 3‏. המייצב ההפיך יכול לעבוד במתח אספקה נמוך עד כדי ‏0.5‏ וולט בלבד של סופר-קבל, בכך ממקסם את השימוש באנרגיה המאוחסנת.

משך זמן הגיבוי תלוי בעתודת האנרגיה של הסופר-קבל ומשיכת ההספק של המערכת. המאפיינים של מוצרי Maxim Integrated‏ מאפשרים הספק גיבוי מקסימלי ‏מסופר-קבל יחיד של 2.7 וולט, תוך כדי הפחתת מספר רכיבי המעגל על ידי מניעת הצורך בהתקני טעינה ו-Boost‏ נפרדים, ודיודות.

מסקנה

סופר-קבלים מציעים מספר יתרונות בהשוואה לסוללות שניוניות עבור אספקת-כוח גיבוי ביישומים מיוחדים, כגון אלה הדורשים החלפת סוללות תכופה. בהשוואה עם סוללות נטענות, סופר-קבלים נטענים מהר יותר, ניתנים למחזור הרבה יותר פעמים ומציעים צפיפות הספק הרבה יותר גבוהה. עם זאת, היציאה המקסימלית שלהם של 2.7 וולט מציבה אתגרי תכנון מסוימים כשמבקשים לגבות אספקה אופיינית של 5 וולט.

כמתואר, מייצבי מתח מורידי-מתח/מעלי-מתח הפיכים מציעים פתרון‏ אלגנטי על ידי מתן אפשרות לסופר-קבל יחיד לגבות קו של 5 וולט, תוך צמצום מספר רכיבים דרושים ומקום.