Суперконденсаторы VINATech для резервного питания RTC

9 марта

телекоммуникациисистемы безопасноститерминалы продажучёт ресурсовинтернет вещейVINATechстатьяпассивные ЭК и электромеханикаRTCVINATECHWECVELEDLCионисторысуперконденсаторыCoin cell

Александр Шрага (г. Москва)

Южнокорейская компания VINATech, являющаяся одним из лидеров в области разработки и производства суперконденсаторов, представляет серии WEC и VEL для RTC, по всем параметрам превосходящие традиционные литиевые батарейки.

Современное развитие электроники, направленное на повышение роли искусственного интеллекта, использование беспроводных и часто автономных систем сбора и передачи данных, расширение функциональных возможностей радиотехнических устройств и многие другие факторы, привело к необходимости использования часов реального времени (Real Time Clock, RTC) в составе многочисленных устройств. Сегодня RTC являются неотъемлемой частью многих электронных приборов, например, счетчиков электроэнергии, устройств промышленной автоматизации и управления, автоматизации зданий, интернета вещей (IoT) и прочего. Расширение спектра портативных электронных устройств, тренд на миниатюризацию, экологические требования к современной технике привели к необходимости повышения эффективности источников питания и обеспечения их бесперебойной работы.

Для резервного питания RTC традиционно использовались литиевые батарейки 3 В (рисунок 1) или суперкондесаторы плоского круглого типа (Coin Cell Supercapacitor) на 5,5 В (рисунок 2). Решения с суперконденсаторами, в сравнении с литиевыми батарейками, имеют ряд преимуществ, касающихся безопасности окружающей среды, увеличения диапазона рабочих температур и срока службы, что делает их применение предпочтительным для высоконадежных приложений. Однако чтобы преодолеть ограниченную способность аккумулирования энергии по сравнению с литиевыми батареями, рабочее напряжение суперконденсаторов пришлось увеличить с 3 до 5 В. Это изменение привело к тому, что сегодня почти все микросхемы RTC могут работать в диапазоне рабочих напряжений 5…1 В или ниже.

Отметим, что область применения суперконденсаторов не ограничивается приложениями с RTC. Эта продукция находит широкое применения в устройствах, где необходимы источники питания, способные обеспечить высокие пиковые токи нагрузки, например, GPRS, ISM и прочих.

Рис. 1. Пример литиевой батарейки 3 В CR2032 производства компании Panasonic

Рис. 1. Пример литиевой батарейки 3 В CR2032 производства компании Panasonic

Рис. 2. Пример суперкондесатора плоского круглого типа (Coin Cell Supercapacitor)

Рис. 2. Пример суперкондесатора плоского круглого типа (Coin Cell Supercapacitor)

Устоявшаяся терминология и профессиональный сленг, которые сегодня широко используются по отношению к форм-факторам резервных источников питания RTC, могут немного запутать читателя. Давайте систематизируем данные понятия:

  • литиевая батарейка (Button Cell Battery), она же «таблетка», дисковая батарейка;
  • суперконденсатор, он же ионистор, ультраконденсатор;
  • суперконденсатор монетного или дискового типа (Coin Cell);
  • суперконденсатор цилиндрического типа («бочонок») и так далее.

Для реализации резервного питания RTC до сих пор используются как литиевые батарейки (Lithium Button Cell Batteries), так и суперконденсаторы. Но технологии не стоят на месте: в настоящее время доступны суперконденсаторы цилиндрического типа с номинальным напряжением 3 В и низким уровнем тока утечки, что делает их отличной и более привлекательной по цене альтернативой традиционному варианту с литиевой батарейкой.

Для организации резервного питания RTC сегодня применяются суперконденсаторы плоского круглого типа (Coin Cell Supercapacitors), широкой популярностью пользуются суперконденсаторы цилиндрического типа (Cylindrical Supercapacitors) и гибридные литиевые конденсаторы (Hybrid Lithium Capacitors).

Надо отметить, что большинство производителей выпускает суперконденсаторы с номинальным напряжением 2,7 В и лишь немногие — с напряжением 2,85 В.

Компания VINATech (Южная Корея), основанная в 1999 году, является одним из лидеров в области разработки и производства суперконденсаторов. В 2010 году она была практически единственной, разработавшей суперконденсатор 3 В.

Дело в том, что при работе ионистора при напряжении ниже номинального резко, в разы, возрастает срок его службы. Поэтому даже незначительное увеличение номинального напряжения суперконденсатора приводит к существенному повышению надежности системы в целом.

Кроме того, суперконденсаторы компании VINATech имеют следующие преимущества:

  • более долгий срок службы, чем у батарей (свыше 500 000 циклов);
  • быстрая зарядка и разрядка;
  • нижний предел рабочей температуры до -40°C;
  • высокая эффективность;
  • отличные показатели при использовании в системах с солнечными панелями;
  • экологическая безопасность (соответствие RoHS и WEEE);
  • отсутствие затрат на переработку в конце срока службы.

Суперконденсаторы WEC и VEL от VINATech

В качестве альтернативы суперконденсаторам плоского круглого типа для приложений RTC отлично подходят серия цилиндрических электрохимических конденсаторов WEC (рисунок 3) с двойным электрическим слоем (EDLC) и серия гибридных литиевых конденсаторов VEL производства компании VINATech.

Рис. 3. Цилиндрические суперконденсаторы EDLC серии WEC с радиальными выводами

Рис. 3. Цилиндрические суперконденсаторы EDLC серии WEC с радиальными выводами

Вариант EDLC (цилиндрические суперконденсаторы серии WEC) предлагает немного более высокую плотность энергии (таблица 1), чем альтернатива – суперконденсаторы плоского круглого типа с номинальным напряжением 3 В @ 65°C (при снижении напряжения до 2,8 В – @ 70°C). Он не только обеспечивает надежную и долговременную работу при повышенных температурах окружающей среды, но и обладает великолепными эксплуатационными качествами при высоком уровне влажности. Помимо длительного срока службы, решение EDLC также отличается самой низкой стоимостью.

Сравнивая решение EDLC с гибридным литиевым конденсатором, можно отметить, что гибридный конденсатор с номиналом 3,8 В @ 70°C (85°C при снижении напряжения до 3,5 В) имеет более чем в 10 раз большую плотность энергии. Он также имеет длительный срок службы, небольшие размеры, сверхмалый ток утечки, что также приводит к очень длительному времени работы. Основными недостатками гибридной конденсаторной технологии являются более высокая общая стоимость и величина нижнего уровня рабочего напряжения 2,5 В, что может усложнить схему, если требуется отключение нагрузки для обеспечения постоянного поддержания минимального напряжения.

Цилиндрические суперконденсаторы серий WEC и VEL занимают меньше места на печатной плате, чем аналогичные ионисторы плоского круглого типа. Они также доступны в технологической упаковке для автоматической установки на плату и могут поставляться с предварительно отформованными для горизонтального монтажа выводами. 

Таблица 1. Сравнение различных технологий

Характеристики Литиевая батарейка (Lithium Button Cell) Суперконденсатор плоского круглого типа (Coin Cell Supercapacitor) Цилиндрический суперконденсатор серии WEC (WEC Cylindrical Supercapacitor) Гибридный литиевый конденсатор серии VEL (VEL Hybrid Lithium Capacitor)
Диапазон напряжений, В 3 0…5,5 0…3 2,5…3,8
Срок службы, лет 5…10 До 10 >20 >10
Плотность энергии Высокая Самая низкая Низкая Средняя
Режим отказа Непредсказуемый, быстрое падение напряжения Предсказуемый, снижение емкости Предсказуемый, снижение емкости Предсказуемый, снижение емкости
Безопасность Опасность для окружающей среды Экологически безопасный продукт Экологически безопасный продукт Экологически безопасный продукт
Перезаряжаемый + + +
Правила утилизации +
Вес Высокий Средний Низкий Самый низкий

Расчет времени поддержания питания от суперконденсатора 

Для расчета времени поддержания питания от суперконденсатора используется формула 1:

$$T=C\times \frac{(V_{1}-V_{2})}{(I_{load}+I_{leakage})},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

  • T – время поддержания питания от суперконденсатора;
  • С – емкость суперконденсатора;
  • V1 – напряжение, до которого заряжен конденсатор;
  • V2 – минимальное рабочее напряжение RTC;
  • Iload – ток нагрузки;
  • Ileakage – ток утечки суперконденсатора.

Например, для суперконденсатора WEC3R0105QG производства VINTech пусть V1 равно 2,8 В, V2 равно 1 В. При условии, что ток нагрузки и саморазряд равны 1 мА каждый, возможное время резервного питания, согласно формуле 2, составит:

$$T=1\:Ф\times \frac{(2.8\:В-1.0\:В)}{(1\:мкА+1\:мкА)}=10.41\:дня\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Ниже, в таблице 2 приведено время резервного питания, которое могут обеспечить суперконденсаторы плоского круглого типа c параметрами 0,22 Ф, 1 Ф @ 70°C и 1 Ф @ 85°C.

Помимо времени удержания питания, в таблице 2 также приводятся данные, позволяющие сравнить относительную стоимость, размер и вес каждого продукта. Кроме того, все результаты можно сравнить с результатами из таблицы 3, в которой представлена та же информация для суперконденсаторов EDLC серии WEC 1 Ф и 3,3 Ф и гибридного литиевого конденсатора 10 Ф с номинальным напряжением 3,8 В.

Сравнение данных из таблиц 2 и 3 показывает, что изделие WEC3R0105QG (1 Ф, 3 В) предлагает примерно на 20% большее время удержания напряжения резервного питания, чем суперконденсатор плоского круглого типа емкостью 0,22 Ф, при этом стоимость WEC3R0105GQ на 30% ниже стоимости суперконденсатора плоского круглого типа емкостью 0,22 Ф. Кроме того, при работе на напряжении 2,8 В достигается такая же верхняя номинальная температура 70°C.

Если сравнить изделие WEC3R0335QG (3,3 Ф, 3 В) с суперконденсатором плоского круглого типа 1 Ф @ 70°C, то можно заметить следующее: расчетное время удержания напряжения для цилиндрического суперконденсатора составляет лишь 55% от времени, предлагаемого суперконденсатором плоского круглого типа, но при этом стоимость WEC3R0335QG составляет примерно 60% от цены плоского круглого ионистора. Таким образом, имеет смысл использовать цилиндрический суперконденсатор с большей емкостью, чтобы достичь соответствия характеристик плоского круглого суперконденсатора с емкостью 1 Ф. Но поскольку ток утечки пропорционален емкости (как правило, примерно 1 мкА/Ф), эффект от такого решения будет снижен.

Таблица 2. Спецификация и эксплуатационные характеристики суперконденсаторов плоского круглого типа

Характеристики Суперконденсаторы плоского круглого типа
Емкость, Ф 0,22 1,0 1,0
Ток утечки, мкА <0,2 <0,5 <0,7
Размер (диаметр х высота), мм 13,5х6,5 21,5×7 21,5х9
Вес, г 3,3 9,1 10,4
Температура, °C -25…70 -25…70 -40…85
Относительная стоимость 1 1,7 3,0
Vмакс., В 5,5 5,5 5,5
Vраб., В 5 5 5
Vмин., В 1 1 1
Время работы резервного источника, дни* 8,48 30,86 27,23
* – Расчетное значение при токе нагрузки 1 мкА.

Расчетное время удержания питания при использовании цилиндрического суперконденсатора 5 Ф, 3 В составит 17,3 дня, так что это лишь небольшое улучшение по сравнению с цилиндрическим суперконденсатором 3,3 Ф. Это связано с тем, что более 80% нагрузки приходятся на ток утечки конденсатора. На практике время удержания питания при использовании цилиндрического суперконденсатора 3,3 Ф может достигнуть 3 недель , но это все еще не сопоставимо с 1 месяцем, который обеспечивает плоский круглый суперконденсатор емкостью 1 Ф.

Таблица 3. Спецификация и эксплуатационные характеристики цилиндрических суперконденсаторов

Характеристики WEC3R0105QG (цилиндрический) WEC3R0335QG (цилиндрический) Гибридный литиевый конденсатор1 серии VEL
Емкость, Ф 1 3,3 10
Ток утечки, мкА ~1 ~3 <0,5
Размер (диаметр х высота), мм 8х13 8х20 8х13
Вес. г 1,1 1,5 1,4
Температура, °C -40…65 -40…65 -25…70
Относительная стоимость 0,7 1 2,6
Vмакс., В 3 3 3,8
Vраб., В 2,82 2,82 3,53
Vмин., В 1 1 2,5
Время работы резервного источника, дни4 10,42 17,19 77,16
1 – в настоящее время доступны изделия емкостью 30…250 Ф, версия 10 Ф в разработке;
2 – Номинальное напряжение для работы при 70°C;
3 – номинальное напряжение для работы при 85°C;
4 – расчетное значение при токе нагрузки 1 мкА.

Хотя серия WEC производства компании VINATech может использоваться при 85°C и относительной влажности 85% в течение сотен часов при 3 В и надежно работает в течение более длительных периодов времени при снижении напряжения до 2,4…2,5 В, все же лучший вариант для изделия с номинальной температурой 85°C, которое обеспечивает долговременное удержание напряжения — это гибридные литиевые конденсаторы серии VEL. Использование гибридного литиевого конденсатора 10 Ф, 3,8 В при напряжении заряда 3,5 В позволяет работать при температуре 85°C, и, как видно из таблицы 3, это обеспечивает время удержания напряжения 77 дней для тока нагрузки 1 мкА, что почти в 3 раза больше, чем у решения с плоским круглым суперконденсатором 1 Ф @ 85°C при уровне стоимости гибридного конденсатора  ~ 85% от цены плоского круглого суперконденсатора 1 Ф.

Выбираем оптимальный суперконденсатор

Суперконденсаторы EDLC цилиндрического типа и гибридные литиевые конденсаторы – прекрасная альтернатива суперконденсаторам плоского круглого типа в приложениях с RTC, так как они обеспечивают улучшенные характеристики при высоких температурах и влажности, более длительный срок службы и имеют более низкую стоимость.

Ограничения доступного времени удержания напряжения, обеспечиваемые решениями EDLC, связаны с их относительно высокими токами утечки, что является областью, над улучшением которой активно работает компания VINATech. Первоначальные результаты этой работы показывают, что вскоре могут появиться продукты с уровнем тока утечки всего около 0,5 мкА/Ф, что обеспечит время удержания напряжения более 30 дней. В дополнение к гибридным литиевым конденсаторам меньшего размера будут предлагаться более конкурентоспособные по цене решения для приложений, требующих поддержки RTC в течение времени, значительно большего чем 30 дней, а также поддержки работы при температуре 85°C, что сделает их отличной альтернативой как литиевым батарейкам, так и суперконденсаторам плоского круглого типа.

Отдельно хочется упомянуть о проблемах со сроками и самим осуществлением поставок суперконденсаторов плоского круглого типа, так как эта номенклатура многими производителями снята с производства.

Многое зависит от характера задачи, которая стоит перед разработчиком электронного устройства, но, учитывая изложенные выше характеристики и особенности суперконденсаторов, серия WEC (таблица 4) хорошо подойдет для многих приложений.

Продукция соответствует требованиям международных стандартов UL, IATF 16949: 2016 и ISO-14001.

Таблица 4. Параметры выводных суперконденсаторов 3 В серии WEC

Наименование Емкость, Ф ESR, мОм Максимальный ток, А Ток утечки, мкА, 72 часа Размер (диаметр х высота), мм
AC
(1 кГц)
DC
WEC3R0105QG 1 145 215 1,2 0,003 0,8х13
WEC3R0335QG 3,3 75 125 3,5 0,010 0,8х20
WEC3R0505QD 5 50 85 5,0 0,015 0,8х25
WEC3R0505QG 5 80 120 4,5 0,015 10х20
WEC3R0705QD 7 45 75 6,5 0,021 08х30
WEC3R0705QG 7 80 135 5,0 0,021 10х20
WEC3R0106QG 10 30 45 10 0,030 10х30
WEC3R0106QD 10 50 75 8,5 0,030 13х20
WEC3R0156QG 15 37 55 12,0 0,045 13х25
WEC3R0186QC 18 30 50 14,0 0,054 13х25
WEC3R0256QG 25 20 30 21 0,075 16х25
WEC3R0506QG 50 13 20 37 0,150 18х40
WEC3R0606QG 60 13 20 40 0,180 18х40

Литература

  1. Technical Note “Cylindrical supercapacitors for RTC backup power”, Chris Likely, VINATech EMEA Business Development Manager
  2. https://www.vina.co.kr/eng/
  3. World Leading Manufacturer of Supercapacitors and  Fuel Cell Materials
•••

Наши информационные каналы

О компании VINATech

VINATech – инновационная компания основанная в 1999 году в Южной Корее. Основное направление деятельности - разработка и производство суперконденсаторов (ионисторов) и угольных материалов для различных отраслей промышленности. В 2002 году в компании была разработана уникальная технология, позволяющая получать угольные нановолокна (carbon nano fiber). К массовому выпуску суперконденсаторов компания приступила в 2003 году, а в 2010 году компания оказалась первой, и фактически единственной, ...читать далее

Товары
Наименование
WEC3R0106QG (VINATECH)
WEC3R0156QG (VINATECH)
WEC3R0505QG (VINATECH)
WEC3R0506QG (VINATECH)
WEC3R0105QG (VINATECH)
WEC3R0256QG (VINATECH)
WEC3R0335QG (VINATECH)