Сверхтонкие суперконденсаторы от Murata. Решаем проблемы пикового потребления в устройствах с батарейным питанием

По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между аккумуляторами и обычными конденсаторами. Их удельная емкость приближается к показателям аккумуляторов. С другой стороны они способны обеспечивать высокие разрядные токи и отличаются малым значением последовательного активного сопротивления (ESR), что роднит их с обычными конденсаторами. Именно благодаря перечисленным достоинствам, суперконденсаторы чаще всего применяются в качестве буферных элементов для обеспечения высоких пиковых токов в устройствах с импульсным потреблением.
4281
В избранное

Потребление мобильных устройств с батарейным питанием практически всегда носит импульсный характер. Зачастую это приводит к уменьшению длительности работы батареек и аккумуляторов из-за кратковременных просадок напряжения. Использование дополнительных суперконденсаторов позволяет решить эту проблему. Например, в опыте, проведенном компанией Murata, сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 толщиной всего 0,4 мм увеличили длительность работы батарейки CR2032 на 55%.

Суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0

Рис. 1. Толщина суперконденсаторов DMHA14R5V353M4ATA0 от Murata составляет всего 0,4 мм

Низкое потребление является одним из важнейших качеств для всех современных мобильных приложений: смартфонов, ноутбуков, умных часов, электронных книг, автономных датчиков и т. д. Cуществует несколько способов уменьшения потребления, например, совершенствование полупроводниковых технологий, оптимизация архитектур микроконтроллеров и процессоров, снижение напряжения питания, динамическое управление потреблением и т. д.

Именно динамическое управление потреблением является важнейшим и самым эффективным способом повышения длительности работы аккумуляторов и батареек. Дело в том, что мобильные устройства не всегда находятся в активном режиме. Например, смартфон автоматически отключает подсветку, если пользователь некоторое время не выполняет каких-либо действий. Похожая ситуация происходит и с  электронной книгой, которая в статическом состоянии практически не потребляет энергии. Потребление возрастает только при перерисовке экрана, например, при переходе на следующую страницу.

Очевидно, что приведенные примеры не являются исключениями. Ярко выраженным импульсным характером потребления отличается большинство современных портативных устройств с батарейным питанием (рис. 2). Это значит, что электронные системы находятся в активном состоянии с высоким потреблением не постоянно, а периодически. Оставшееся время проходит в режиме сна, в котором питающий ток имеет минимальное значение.

Импульсное потребление устройств с батарейным питанием

Рис. 2. Импульсное потребление устройств с батарейным питанием

Если разница между пиковым и средним значением тока достаточно велика, то могут возникать проблемы. Дело в том, что сопротивление популярных типов аккумуляторов и батареек имеет относительно высокое значение. Это приводит к импульсным просадкам напряжения питания нагрузки при появлении импульсов тока. В результате таких просадок напряжение может кратковременно опуститься ниже минимально допустимого уровня, из-за чего само устройство может банально отключиться. При этом состояние батарейки будет далеко от полного разряда. Еще хуже дело обстоит при отрицательных температурах, при которых внезапные отключения возникают еще чаще.

Пример преждевременного отключения устройства при неполной разрядке аккумулятора показан на рис. 3. В данном случае минимальное допустимое напряжение питания составляет 1 В. Возникновение мощного импульса тока на отметке 4200 секунд привело к проседанию напряжения ниже 1 В, в результате чего устройство отключилось, несмотря на то, что реальное напряжение аккумулятора составляло около 1,9 В.

Преждевременное отключение устройства при не полностью разряженном аккумуляторе

Рис. 3. Преждевременное отключение устройства при не полностью разряженном аккумуляторе

Есть несколько путей решения данной проблемы. Например, можно выбрать аккумулятор с повышенной емкостью. Однако это приведет к росту стоимости и увеличению габаритов, что крайне нежелательно для коммерческой портативной электроники. Более привлекательным решением будет использование суперконденсаторов.

По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между аккумуляторами и обычными конденсаторами. Их удельная емкость приближается к показателям аккумуляторов. С другой стороны, они способны обеспечивать высокие разрядные токи и отличаются малым значением последовательного активного сопротивления (ESR), что роднит их с обычными конденсаторами. Именно благодаря перечисленным достоинствам, суперконденсаторы чаще всего применяются в качестве буферных элементов для обеспечения высоких пиковых токов в устройствах с импульсным потреблением.

Рассмотрим типовую схему питания с дополнительным буферным суперконденсатором (рис. 4). Эта система включает три основных элемента: аккумулятор, суперконденсатор и обычный конденсатор.

Использование буферных элементов питания: конденсаторов и суперконденсаторов

Рис. 4. Использование буферных элементов питания: конденсаторов и суперконденсаторов

Аккумулятор, как правило, расположен достаточно далеко от нагрузки и обеспечивает всю систему энергией. В частности он заряжает буферные элементы – суперконденсатор и конденсатор. К сожалению, как было сказано выше, аккумулятор способен эффективно работать только с постоянной нагрузкой, и не всегда может обеспечить импульсные токи.

Буферный суперконденсатор заряжается от аккумулятора. Процесс зарядки может быть относительно долгим, зато из-за малого сопротивления суперконденсатор очень быстро передает энергию в нагрузку. Таким образом, в отличие от аккумулятора он способен обеспечивать повышенные импульсные токи. При этом суперконденсатор, как и аккумулятор, допускается располагать достаточно далеко от нагрузки. Об этом было рассказано в одной из предыдущих статей, опубликованных на сайте Терраэлектроники «Расстояние не помеха. Эффективный радиус действия суперконденсаторов CAP-XX».

Развязывающий конденсатор располагается вплотную к нагрузке и является основным источником питания при возникновении высокочастотных импульсов потребления. Как правило, конденсатор в первую очередь компенсирует импеданс линий питания, на которых также происходит падение напряжения.

В итоге, суперконденсатор помогает уменьшить провалы напряжения (рис. 5). Это значит, что при равных условиях устройство с дополнительным буферным супеконденсатором выключится при более глубоком разряде аккумулятора. Это наглядно продемонстрировали опыты, проведенные компанией Murata с их сверхтонкими суперконденсаторами DMHA14R5V353M4ATA0.

Murata_5-1.png (5 KB)

Рис. 5. Суперконденсатор позволяет уменьшить импульсные просадки напряжения

DMHA14R5V353M4ATA0 – сверхтонкие суперконденсаторы емкостью 35 мФ и номинальным напряжением 4,5 В. Несмотря на значительную емкость, габариты этого элемента оказываются достаточно скромными 20 x 20 мм, а толщина и вовсе составляет всего 0,4 мм! Эквивалентное последовательное сопротивление ESR для DMHA14R5V353M4ATA0 находится на уровне 300 мОм, это позволяет эффективно использовать их в качестве буферных элементов питания.

В опыте, проведенном Murata, обычная дисковая батарейка CR2032 разряжалась по следующему сценарию:

  • потребление в активном режиме 40 мА длительность 25 % периода;
  • потребление в спящем режиме 1 мА длительность 75 % периода;
  • период 1 с;
  • число циклов 9000 (9000 секунд).

На рис. 6 приведены разрядные кривые и результаты испытаний. Как видно, при разряде батарейки без суперконденсатора точка отключения (1 В) была достигнута примерно через 4200 секунд. При этом реальное напряжение батарейки составляло только 1,9 В. При добавлении буферного суперконденсатора DMHA14R5V353M4ATA0 точка отключения сдвинулась к отметке 6600 секунд, то есть длительность работы элемента питания увеличилась примерно на 55%!

Время работы аккумулятора увеличивается при использовании суперконденсаторов

Рис. 6. Время работы аккумулятора увеличивается при использовании суперконденсаторов

Увеличение длительности работы батареек и аккумуляторов – не единственное преимущество, которые дают сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0. Среди дополнительных плюсов можно отметить:

  • возможность использования аккумуляторов меньшей емкости;
  • снижение числа аккумуляторов;
  • уменьшение габаритов;
  • увеличение рабочего диапазона температур.

Стоит дать некоторые комментарии по поводу расширения температурного диапазона. Как говорилось выше, обычные коммерческие приложения «боятся» отрицательных температур. Суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 работают в диапазоне -40...85°C и способны частично компенсировать недостатки «теплолюбивых» химических источников тока.

Если говорить об уменьшении габаритов, то малая толщина суперконденсаторов DMHA14R5V353M4ATA0 позволяет размещать их в «мертвых зонах», например, под держателем элемента питания (рис. 8). При таком расположении суперконденсатор вообще не занимает полезного места на плате.

Сверхтонкий конденсатор может располагаться прямо под аккумулятором

Рис. 7. Сверхтонкий конденсатор может располагаться прямо под аккумулятором

Суперконденсаторы могут использоваться не только вместе с химическими элементами питания, но и с различными харвестерами энергии (ветра, солнечного света, вибрации и др.). В статье «Использование суперконденсаторов CAP-XX в устройствах с питанием от солнечных батарей» мы уже рассказывали об одном из таких приложений. Суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 также подходят для аналогичных задач. Конечно, возникает вопрос, на сколько хватит такого элемента питания и какую нагрузку от него можно запитать.

Емкости DMHA14R5V353M4ATA0 хватит для следующих целей (25 °С):

  • BlueTooth Low Energy – ток разряда 5 мА, время разряда от 4,5 до 1,8 В составляет 18,9 с;
  • LoRa – ток разряда 10 мА, время разряда от 4,5 до 1,8 В составляет 9,5 с;
  • E-paper (например, в электронной книге) – ток разряда 20 мА, время разряда от 4,5 до 1,8 В составляет 4,7 с;
  • Wi-Fi– ток разряда 120 мА, время разряда от 4,5 до 1,8 В составляет 0,8 с;
  • Мультиприложение – ток разряда 1 А, время разряда от 4,5 до 1,8 В составляет 0,1 с.

Возвращаясь к вопросу влияния температуры, стоит отметить, что при снижении температуры эффективная емкость DMHA14R5V353M4ATA0 падает, и скорость разряда будет увеличиваться (рис. 8).

Murata_8.png (8 KB)

Рис. 8. Время разряда суперконденсаторов DMHA14R5V353M4ATA0 емкостью 35 мФ

В заключение хотелось бы коснуться конкретных приложений для суперконденсаторов DMHA14R5V353M4ATA0. Компания Murata предполагает использование DMHA14R5V353M4ATA0 в первую очередь в портативных устройствах с жесткими ограничениями по габаритам: умные часы, шагомеры, фитнес-браслеты, инсулиновые помпы, электронные книги и т.д.

Характеристики сверхтонких суперконденсаторов DMHA14R5V353M4ATA0:

  • Емкость: 35 мФ;
  • Номинальное напряжение: 4,5 В;
  • Эквивалентное последовательное сопротивление ESR: 300 мОм;
  • Диапазон рабочих температур: -40...85°C;
  • Вес: 0,22 г;
  • Габаритные размеры: 20 x 20 x 0,4 мм.
Производитель: Murata Electronics Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
DMHA14R5V353M4ATA0
DMHA14R5V353M4ATA0
Murata Electronics Inc.
Арт.: 2631786 ИНФО PDF
1463,52
Поиск
предложений
Сверхтонкие суперконденсаторы емкостью 35 мФ и номинальным напряжением 4,5 В. Габариты 20x20 мм, толщина всего 0,4 мм
DMHA14R5V353M4ATA0 1463,52
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()