Cargador de supercondensadores con tensión de salida ajustable y límite de corriente de carga ajustable

Para las aplicaciones que utilizan supercondensadores de mayor valor (decenas o centenas de faradios), es necesario un circuito de carga con una corriente de carga relativamente alta para minimizar el tiempo de recarga del sistema. Los supercondensadores se utilizan como dispositivos de retención de energía en aplicaciones como los discos RAID de estado sólido, donde la información almacenada en la memoria volátil de alta velocidad debe transferirse a la memoria flash no volátil en caso de pérdida de energía. Esta transferencia puede durar varios minutos y requiere cientos de faradios para mantener la potencia hasta que se complete la transferencia. El tiempo de recarga de estos bancos de supercondensadores suele ser inferior a una hora. Para conseguirlo, se necesita una corriente de carga elevada. En este artículo se describe un circuito de carga de supercondensadores que utiliza el LT3663 y que cumple estos exigentes requisitos.

El LT3663 es un regulador de conmutación reductor de 1,2 A y 1,5 MHz con un límite de corriente de salida ideal para aplicaciones de supercondensadores. La pieza tiene un rango de tensión de entrada de 7,5V a 36V, tiene una tensión de salida ajustable y un límite de corriente de salida ajustable. La tensión de salida se ajusta mediante una red divisora de resistencias en el bucle de realimentación, mientras que el límite de corriente de salida se ajusta mediante una única resistencia conectada desde la I_LIM a tierra. Con su red de compensación interna y su diodo amplificador interno, el LT3663 requiere un número mínimo de componentes externos.

En el número de septiembre de 2008 de la revista Tecnología linealen un artículo titulado "Sustitución de las pilas en aplicaciones de corriente continua por supercondensadores y un cargador de condensadores de 3 mm × 3 mm", el autor describe el procedimiento para determinar el supercondensador efectivo (C) El procedimiento determina el supercondensador efectivo (C_EFF) a 0,3 Hz, en función del nivel de potencia que haya que mantener, de la tensión mínima de funcionamiento del convertidor CC/CC que lleve la carga, de las resistencias del circuito distribuido, incluida la ESR de los supercondensadores, y del tiempo de mantenimiento necesario.

Una vez conocido el tamaño del supercondensador, se puede determinar la corriente de carga para cumplir los requisitos de tiempo de recarga. El tiempo de recarga (T_RECARGA) es el tiempo necesario para recargar los supercondensadores desde la tensión mínima de funcionamiento (V_UV) del convertidor CC/CC a plena carga (V_FC) de los supercondensadores. La tensión de los supercondensadores individuales al inicio del ciclo de recarga es la tensión mínima de funcionamiento dividida por el número (N) de supercondensadores en serie. A partir de ahora, este artículo describe una aplicación con dos supercondensadores en serie. La corriente de recarga (I_CARGA) está determinada por la ley de control de la carga del condensador :

Esto supone que la tensión en el supercondensador no se descarga por debajo del valor V_UV/N. Esta suposición es válida si el periodo durante el cual la potencia de entrada no está disponible es tal que la corriente de fuga del supercondensador no ha reducido significativamente la tensión en el condensador. En realidad, la tensión en el supercondensador puede aumentar ligeramente tras la desconexión del convertidor CC/CC, debido al efecto de absorción dieléctrica. El tiempo de carga inicial T_CARGA para un banco de supercondensadores totalmente descargado es :

La figura 1 muestra un diagrama de bloques de los componentes de esta aplicación de cargador de supercondensadores.

Para controlar la corriente de carga, una resistencia R_ILIM está conectada a la I_LIM de la clavija del LT3663 a tierra. La tabla 1 muestra las corrientes de carga nominal para diferentes valores de R_ILIM.

Tabla 1. Corriente de carga en función de R_ILIM

Corriente de carga (A)	RILIM Valor (kΩ)
0.4	140
0.6	75
0.8	48.7
1.0	36.5
1.2	28.7

La tensión de plena carga está definida por la red divisora de resistencias en el bucle de realimentación. La tabla 2 muestra diferentes tensiones a plena carga en función del valor de R_FB2 (resistencia entre la patilla FB y tierra) cuando la resistencia R_FB1 (resistencia de unión entre la V_OUT y el pin FB) es de 200k. La figura 2 muestra el circuito de carga de cada supercondensador.

Tabla 2. Tensión de carga completa frente a R_FB2

Tensión de carga completa (V)	RFB2 (kΩ)
2.65	86.6
2.5	93.1
2.4	100
2.2	115
2.0	133

El circuito de control de la figura 3 se utiliza para equilibrar las tensiones de los supercondensadores a medida que se cargan. Lo hace dando prioridad a la corriente de carga del supercondensador con menor tensión, es decir, encendiendo el circuito de carga del supercondensador con menor tensión y apagando el circuito del otro supercondensador.

Si el circuito de carga superior se activa mientras el circuito de carga inferior está desactivado, el supercondensador inferior se carga con la corriente de retorno de entrada del cargador superior. Esta corriente de retorno es una fracción de la corriente de carga, de modo que el supercondensador superior se carga más rápidamente. El circuito de control está formado por un LDO de 3,3V (U6) y una referencia de precisión de 1,25V (U7). U1 y U2 están configurados como amplificadores diferenciales con una ganancia de uno para medir la tensión a través de cada supercondensador, mientras que U3 es un amplificador diferencial con cambio de nivel utilizado para determinar la diferencia de tensión entre los dos supercondensadores. Al desplazar el nivel de la salida de U3 a la tensión de referencia, los dos comparadores de U4 determinan qué supercondensador debe cargarse.

Se utiliza un par adicional de resistencias de cambio de nivel (R14 y R15, R16 y R17) para permitir que ambos supercondensadores se carguen cuando estén dentro de una ventana de 50 mV. Cuando ambos supercondensadores están cargados, el supercondensador inferior se carga más rápido, ya que se carga con su corriente de carga más la corriente de retorno de entrada del cargador superior. Este efecto puede verse en la figura 4. La señal de activación del cargador inferior cambia a medida que el condensador inferior se carga más rápido que el superior para mantener la diferencia de 50 mV entre los dos condensadores. La figura 5 muestra el efecto de un cambio de 2:1 en el valor de la capacitancia, donde la parte superior es un supercondensador de 50F y la inferior de 100F. Aquí, la tensión del supercondensador inferior aumenta más lentamente y la señal de activación del cargador del supercondensador superior cambia para permitirle mantener el equilibrio de la tensión.

El LT3663 proporciona un circuito de carga de supercondensadores de bajo número de componentes con una tensión de carga completa ajustable y un límite de corriente ajustable, ideal para supercondensadores de mayor tamaño. Un circuito de control puede supervisar y equilibrar el voltaje de cada supercondensador, incluso si los supercondensadores no están en absoluto emparejados en términos de capacitancia o voltaje inicial.