El sistema de respaldo de energía sin baterías utiliza supercondensadores para evitar la pérdida de datos en los sistemas RAID

Por su propia naturaleza, los sistemas RAID están diseñados para preservar los datos ante circunstancias adversas. Una de estas circunstancias, un fallo de alimentación, no amenaza directamente los datos que se almacenan en los discos, pero sí compromete los datos en tránsito o los que se almacenan temporalmente en la memoria volátil. Para proteger los datos volátiles, muchos sistemas incorporan un sistema de alimentación por batería que proporciona energía a corto plazo: suficientes vatios-segundo para que el controlador RAID escriba los datos volátiles en la memoria no volátil.

El problema es que la demanda de mayor rendimiento y las iniciativas ecológicas están presionando a los diseñadores de sistemas para que encuentren alternativas a las baterías. Las pilas son un material notoriamente peligroso que debe eliminarse de acuerdo con estrictas directrices establecidas por los organismos reguladores. Dado que hay que sustituirlas regularmente, se utilicen o no, la sustitución y eliminación de las baterías es una parte importante del coste de funcionamiento de un centro de datos.

Los avances en el rendimiento de la memoria flash han permitido sustituir las baterías de estos sistemas por supercondensadores más duraderos, eficientes y respetuosos con el medio ambiente. Los supercondensadores están hechos de carbono y aluminio y no contienen metales pesados, por lo que no presentan problemas de eliminación de materiales peligrosos. Además, los supercondensadores son más robustos que las baterías, lo que reduce los costes de mantenimiento: las baterías de iones de litio tienen una vida útil de 500 ciclos, mientras que un supercondensador tiene una vida útil de un millón de ciclos. Los supercondensadores pueden recargarse a plena capacidad en minutos, mientras que las baterías pueden tardar hasta seis horas. Aunque la densidad energética de un supercondensador puede ser dos órdenes de magnitud inferior a la de una batería de iones de litio, la reducción de los requisitos de energía de la memoria flash y la mayor capacidad de los supercondensadores los han convertido en un medio de almacenamiento de energía viable para las soluciones de copia de seguridad de recuperación de datos.

En un sistema de energía de reserva basado en supercondensadores, hay que cargar una pila de condensadores conectados en serie y equilibrar las tensiones de las células. Los supercondensadores se inyectan en el circuito eléctrico cuando es necesario y la alimentación de la carga se controla mediante un convertidor CC/CC. La figura 1 muestra un sistema de reserva de energía basado en supercondensadores que utiliza un cargador de supercondensadores LTC3625, un conmutador automático de cruce de energía que utiliza el LTC4412 y un convertidor CC/CC de doble salida LTM4616.

Figura 1: Implementación del circuito de un sistema de almacenamiento de energía con supercondensadores para mantener la energía durante un fallo eléctrico.

El LTC3625 es un cargador de supercondensadores de alto rendimiento que tiene una serie de características que lo convierten en una opción ideal para realizar copias de seguridad de pequeño perfil en aplicaciones RAID. Se presenta en un paquete DFN de 12 hilos de 3 mm × 4 mm × 0,75 mm y requiere pocas piezas externas. Presenta una corriente de carga media programable de hasta 1A, un equilibrio automático de la célula de tensión de dos supercondensadores conectados en serie y una baja corriente de reposo. Cuando se retira la alimentación de entrada o se desactiva la pieza, el LTC3625 entra automáticamente en un estado de baja corriente que consume menos de 1µA de los supercondensadores.

Los supercondensadores están disponibles en capacidades que van desde cientos de milifaradios hasta miles de faradios. Las tensiones estándar son de 2,5 V y 2,7 V, mientras que los supercondensadores apilados y empaquetados pueden superar los 15 V. Un supercondensador de 10F/2,7V está disponible en una caja radial de 2 terminales de 10mm × 30mm, mientras que un supercondensador de 400F/2,7V está en una caja radial de 4 terminales de 35mm × 62mm. Dos de los cuatro terminales de la caja más grande son para la estabilidad mecánica y no están conectados eléctricamente a un terminal de alimentación.

Los dos parámetros críticos del supercondensador para una aplicación de energía de reserva son la corriente de fuga inicial y la tensión de la célula. La corriente de fuga inicial puede ser hasta 50 veces la corriente de fuga nominal y disminuye hasta la corriente especificada después de 100 horas a la tensión nominal. La tensión aplicada a través del supercondensador tiene un efecto significativo en su vida útil. Cuando se cargan supercondensadores conectados en serie, el equilibrio de la tensión es un requisito esencial del circuito de carga para preservar la vida del condensador. El equilibrado pasivo de la tensión, en el que se coloca una resistencia en paralelo con cada supercondensador, es una técnica sencilla, pero descarga continuamente el supercondensador cuando el cargador está apagado. El equilibrio activo de la tensión, como el que realiza el LTC3625 durante el proceso de carga, elimina la necesidad de estas resistencias y evita que los supercondensadores se sobrecarguen.

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Un sistema eficiente de reserva de energía incorpora una pila de supercondensadores que tiene la capacidad de soportar una transferencia de datos completa desde la memoria volátil. Un convertidor CC/CC toma la salida de la pila de supercondensadores y proporciona una tensión constante a la electrónica de recuperación de datos. La transferencia de datos debe completarse antes de que la tensión de la pila de supercondensadores caiga hasta la tensión mínima de funcionamiento de la entrada (VUV) del convertidor CC/CC.

Para estimar la capacidad mínima de la pila de supercondensadores, la resistencia efectiva del circuito (RT) debe determinarse. RT es la suma de la ESR de los supercondensadores, las pérdidas de distribución (RDIST) y el RDS(ON) de los MOSFET del divisor automático.

Ecuación 1

Suponiendo que el 10% de la potencia de entrada se pierde en la resistencia efectiva del circuito en el momento en que la tensión del convertidor CC/CC está en VUVel valor máximo de RT puede determinarse mediante :

Ecuación 2

La tensión necesaria a través de la pila de supercondensadores (VC(UV)) a esta tensión mínima de funcionamiento del convertidor CC/CC:

Ecuación 3

La capacidad mínima (CMIN) se puede calcular ahora en función del tiempo de reserva necesario (TBU) para transferir datos a la memoria flash, la tensión inicial de la batería (VC(0)) y (VC(UV)).

Ecuación 4

La capacidad mínima (CMIN) es la capacidad efectiva (CEFF) de la pila de supercondensadores, que es la capacidad de un supercondensador dividida por el número de supercondensadores de la pila. La ESR utilizada en la expresión para calcular RT es el producto de la ESR de un supercondensador y el número de supercondensadores de la pila. El final de la vida útil de un supercondensador se define como el punto en el que la capacitancia cae al 70% de su valor inicial o la ESR duplica su valor. Esta definición de EOL se utiliza para seleccionar el supercondensador para el diseño.

La ESR y la capacitancia del supercondensador disminuyen al aumentar la frecuencia aplicada. Los fabricantes suelen especificar la ESR a 1kHz, mientras que algunos especifican la ESR a 1kHz, así como la DC. La capacitancia se suele especificar en CC. Un método para determinar la capacidad real y la ESR del supercondensador es aplicar una corriente constante (I) a un supercondensador cargado y utilizar la caída de tensión para determinar estos parámetros. El paso de tensión inicial (∆VC), sin tener en cuenta los efectos de la inductancia del supercondensador, se utiliza para determinar la ESR.

Ecuación 5

Tras el aumento inicial de la tensión, la tensión a través del supercondensador disminuye linealmente debido a la carga de corriente constante. Midiendo la tensión en dos intervalos de tiempo, se puede determinar la capacidad del supercondensador.

VC(t1) es la tensión en el primer intervalo de tiempo (t1)

VC(t2) es la tensión en el segundo intervalo de tiempo (t2)

Ecuación 6

El último parámetro a determinar es la corriente de carga (ICARGA) de los supercondensadores. La corriente de carga viene determinada por el tiempo de recuperación o de recarga deseado (TRECARGA) de la pila de supercondensadores.

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El perfil de carga de los supercondensadores utilizando el LT3625 no es la típica rampa de tensión lineal que cabría esperar (véase la figura 2). Esto se debe a la topología buck-boost del LT3625.

Figura 2. Perfil de carga en supercápsulas emparejadas

El supercondensador inferior de una pila de dos condensadores se carga primero a unos 1,35 V (VMID(GOOD)). Una vez que el condensador inferior alcanza 1,35 V, el circuito de refuerzo comienza a cargar el supercondensador superior, que elimina la carga del supercondensador inferior. El convertidor buck sigue cargando el supercondensador inferior, pero el aumento de tensión es más lento porque se elimina parte de su carga. Si la corriente de entrada del convertidor boost es mayor que la corriente de salida del convertidor buck, la tensión en el condensador inferior disminuye, y cuando disminuye en el valor VMID(GOOD) en el modo de histéresis, el convertidor elevador se apaga y permanece apagado hasta que el supercondensador inferior se recarga a VMID(GOOD).

Si el supercondensador superior supera al inferior en 50 mV, el convertidor elevador se apaga hasta que el supercondensador inferior esté 50 mV por encima del superior. Finalmente, si el supercondensador inferior alcanza su umbral máximo, el convertidor buck se apaga y el convertidor boost permanece encendido. La tensión del condensador inferior disminuye y el convertidor buck permanece apagado hasta que la tensión disminuye 50 mV. Este proceso continúa hasta que VOUT alcanza su tensión de fin de carga programada.

El gráfico de la Figura 2 muestra el perfil de carga de dos configuraciones del LTC3625 que cargan una pila de dos supercondensadores de 10F a 5,3V con RPROG ajustado a 143k. Este gráfico, junto con la siguiente ecuación, se utiliza para determinar el valor de RPROG que produciría el tiempo de carga deseado para los supercondensadores reales en la aplicación prevista.

Ecuación 7

VC(UV) es la tensión mínima del supercondensador a la que el convertidor CC/CC puede producir la salida requerida. VOUT es la tensión de salida del LTC3625 en la aplicación de destino (definida por VSEL pino). TESTIMACIÓN es el tiempo necesario para cargar desde VC(UV) a 5,3 V, como se extrapola de las curvas del perfil de carga. TRECARGA es el tiempo de recarga deseado en la aplicación de destino.

El tiempo de carga inicial en el arranque se determina a partir del tiempo de carga completa de 70 segundos.

Ecuación 8

Por ejemplo, supongamos que se tardan 45 segundos en almacenar datos en la memoria flash y que la potencia de entrada al convertidor CC/CC es de 20 W. VUV del convertidor CC/CC es de 2,7 V. A TRECARGA de diez minutos. La tensión aplicada al supercondensador afecta directamente a su vida útil, por lo que no queremos aplicar toda la tensión nominal (2,7V) a cada tapón apilado. El voltaje de carga completa de la batería se fija en 4,8 V, un buen compromiso entre la prolongación de la vida del supercondensador y la utilización de la mayor capacidad de almacenamiento posible. Los componentes de RT se estiman: RDISTRIBUCIÓN = 10mΩ, ESR = 20mΩ y RDS(ON) = 10mΩ.

Ecuación 9

Los valores estimados resultantes de RT(MAX) = 36mΩ y RT = 40mΩ son lo suficientemente cercanos para esta fase del diseño. La tensión necesaria en la pila de supercondensadores cuando falla el convertidor CC/CC es :

Ecuación 10

La capacidad necesaria de la batería es :

Ecuación 11

Una pila de dos supercondensadores de 360F (NessCap ESHSR-0360C0-002R7A) tiene una capacidad al final de su vida útil de 126F. La ESR inicial se especifica en 3,2mΩ con una ESR al final de la vida útil de 6,4mΩ.

El conmutador de cruce está formado por un LTC4412 PowerPath y dos MOSFET de canal P Si4421DY de Vishay. La RDS(ON) del Si4421DY con una tensión de puerta de 2,5V es de 10,75mΩ (máx.).

Utilizando los valores de ESR al final de la vida útil de los supercondensadores y el valor R del MOSFET realDS(ON)se puede determinar la resistencia máxima de interconexión:

Ecuación 12

El LTC3625 tiene dos modos de funcionamiento de configuración. Se utiliza una configuración de inductor simple para corrientes de carga de supercondensadores inferiores a 0,5A y una configuración de inductor doble para corrientes de carga de hasta 1A. Para esta aplicación, se utiliza la configuración de doble inductor para cumplir el requisito de tiempo de recarga con supercondensadores de 360F.

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Para determinar el valor de RPROGse estima que la capacidad de la batería es la capacidad inicial de los supercondensadores más el 20% superior de su tolerancia. A partir del gráfico de la Figura 2, el tiempo de carga de 3V a 5,3V se estimó en 32 segundos.

Ecuación 13

La resistencia estándar más cercana al 1% es de 78,7k.

El tiempo de puesta en marcha inicial se estima en :

Ecuación 14

La hoja de datos sugiere una inductancia de 3,3µH (Coilcraft MSS7341-332NL) para las inductancias buck y boost.

El LTC3625 contiene un comparador de fallos de alimentación, que se utiliza para supervisar la alimentación de entrada para habilitar el controlador LTC4412 PowerPath. El comparador PFO tiene una referencia interna de 1,2 V conectada a la entrada negativa del comparador. Un divisor de tensión conectado a la patilla PFI establece el punto de disparo por fallo de alimentación (VPF) a 4,75V. La resistencia inferior está ajustada a 100k, por lo que la resistencia superior es :

Ecuación 15

La resistencia estándar más cercana al 1% es de 294k.

La figura 1 muestra un sistema completo de almacenamiento de energía con supercondensadores, compuesto por el LT33625, dos inductores Coilcraft de 3,3µH y dos supercondensadores de 360F de NessCap. El LTC4412 y los dos MOSFETs Vishay Si4421DY forman el conmutador cruzado automático, mientras que el LTM4616 es el convertidor CC/CC que representa la carga de potencia constante del sistema de almacenamiento de energía.

La figura 3 muestra un tiempo de carga inicial de 1112 segundos para el circuito de carga del LTC3625. Utilizando los valores nominales de los componentes, el tiempo de carga inicial es de 1255 segundos, lo que está dentro de los niveles de tolerancia de los componentes. Durante los primeros 250 segundos, sólo el convertidor buck carga el supercondensador inferior y, una vez que la tensión alcanza 1,35 V, el convertidor boost empieza a funcionar. Los convertidores buck y boost siguen funcionando durante los siguientes 500 segundos. Una observación interesante del perfil de carga es que, después de 750 segundos, el cambio en la pendiente y la ondulación de la tensión de entrada se debe a que el convertidor buck se apaga y se enciende durante los últimos minutos de la carga.

Figura 3: Carga inicial de un par de supercondensadores de 360F agotados y conectados en serie

La figura 4 muestra el tiempo de reserva del sistema con una carga de 20 W. El tiempo de respaldo deseado era de 45 segundos, mientras que nuestro sistema soporta la carga durante 76,6 segundos. El mayor tiempo de reserva disponible se debe a que las resistencias de los circuitos parásitos son menores de lo estimado y a que los convertidores CC/CC siguen funcionando hasta 2,44 V en lugar de los 2,7 V previstos en los cálculos de diseño. Se puede ver que la salida del convertidor de 1,8 V se enciende cuando el convertidor de 1,2 V se apaga. Este efecto «lancha» está causado por el aumento de la tensión en la entrada del convertidor CC/CC al reducirse la corriente de entrada mientras la sección del convertidor de 1,2 V está apagada. Este efecto puede eliminarse añadiendo un circuito externo de bloqueo por subtensión con una histéresis adecuada para desactivar el convertidor CC/CC.

Figura 4: Tiempo de autonomía del supercondensador con una carga de 20 W

Por último, la figura 5 muestra el tiempo de recarga de los supercondensadores tras una operación de reserva. El tiempo de recarga es en realidad de 685 segundos, frente a los 600 segundos utilizados en los cálculos. El mayor tiempo de recarga se atribuye a la menor tensión de arranque de 2,44 V del convertidor CC/CC.

Figura 5: Recarga de un par de supercondensadores de 360F conectados en serie

Los supercondensadores están sustituyendo a las baterías para cumplir los mandatos de las iniciativas ecológicas para los centros de datos. El LTC3625 es un eficiente cargador de supercondensadores de 1A con equilibrado automático de celdas que puede combinarse con el controlador PowerPath de bajas pérdidas LTC4412 para producir un sistema de almacenamiento de energía con protección de datos para aplicaciones de disco RAID. El LTC3625 está disponible en un encapsulado DFN de 12 patas de 3 mm × 4 mm × 0,75 mm.

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