Суперконденсаторы VINATech для резервного питания RTC

9 марта 2021

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. 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

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

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;
• I_load – ток нагрузки;
• I_leakage – 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

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

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

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