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超级电容器的特性及物联网供电

2020-9-30 14:09:59 显示全部楼层
使用超级电容器让物联网节点免受欠压影响                         
作者:Bill Giovino        /Digi-Key

当物联网 (IoT) 或工业物联网 (IIoT) 网络使用与居民用电相同的市电电网供电时,它们会受到功率波动、欠压的影响,甚至完全失去电力达几十秒。无状态节点可以在上电时恢复运行;但是,必须长期保持状态的节点会在上电时重置,这可能导致网络故障、延迟或性能损失。
备用电池是一种避免重置的方式,但它们的寿命有限,而且在设备的生命周期内可能会变得更昂贵。替代方法是,可以使用超级电容器——额定值为 1 法拉 (F) 或更高的极化电解电容器。
本文讨论了确保运行关键过程的物联网和工业物联网设备保持供电的重要性。然后,本文使用两款示例器件展示了如何运用超级电容器来提供欠压和断电保护,这两款器件分别来自 AVX Corporation 和 Illinois Capacitor。

将物联网节点置于市电电网中的问题

运行关键过程的工业设施通常会配备备用发电机,以备供电公司临时停电时使用。除了长期停电的极端情况外,冗余和多台发电机可确保持续维持供电。工厂甚至可能有自己的主电网专用电力线,以确保电力的持续供应,这也可能会为电网其余部分的停电提供一定的抵抗力。
许多小型或非关键物联网节点使用居民市电电网进行供电,而所在区域并没有任何昂贵的备用电池系统。根据网络的设计,欠压或瞬时断电可能会重置系统、关闭机器,并导致数据和性能损失。
目前有几种选择可以防止这种数据损失。以汽油或天然气为燃料的备用发电机可以长期供电,但材料和安装成本高昂。此外,备用发电机还需要定期维护和测试。这种增加的成本和人工很快就会使物联网网络不再具有成本效益,以至于无法实现其初衷。
另一种选择是备用电池组。这些电池组使用铅酸电池,是一种短时间内提供备用电源的可靠方式。不过,这些都需要定期检查和测试。此外,铅酸电池的生命周期有限,因此需要定期更换,增加了成本和人工。令维护工作更加复杂的是,备用电池组中的铅酸电池有时会突然出现故障,可能在停电期间启动后不久就会失效。
备用发电机和备用电池组都非常笨重,需要额外的空间。对于紧凑型物联网网络来说,实现这些解决方案可能不切实际,甚至无法实现。
一种常见的选择是在物联网节点上安置小型备用电池。与发电机和备用电池组相比,这是一种廉价的选择。锂离子 (Li-Ion) 电池占用的空间很小,需要的维护也有限。然而,锂离子电池的循环时间有限,通常低至 500 次充放电循环,因此需要定期更换。此外,锂离子电池的工作温度也非常有限。冻结温度会降低锂离子电池的容量,导致永久性损坏,而高温会逐渐损坏电池,导致热击穿。
作为替代,一种简单且具有成本效益的方法可在欠压或短期断电时提供瞬时临时电源,即在物联网节点中放置超级电容器。

超级电容器的特性和功能
超级电容器是额定值为 1 F 或以上的极化电解电容器。作为电容器,它们可以在几秒钟内充放电,因此可以发挥与物联网节点的短期充电电池一样的作用。利用恒流放电,超级电容器端子上的电压将随时间线性下降。
超级电容器的循环时间几乎是无限的,超过一百万次,从而允许它们不断地充电和放电,而不会影响容量或寿命。与化学电池不同,超级电容器的循环充电对电容器电介质或电极的影响极小。超级电容器相对不受高温和低温的影响,可以在锂离子电池无法承受的极端温度下安全工作。
超级电容器的充电很简单,不需要复杂的电路来维持充电状态,因为电容器不会过量充电。但是,在极化端子上施加反向电压或对超级电容器施加高于额定最大值的电压,都会缩短其寿命。
选择超级电容器需要进行一系列权衡。当然,在同等条件下,容量越大,供电时间越长。然而,这种容量的增加不仅会带来成本的增加,而且还会大幅增加尺寸:超级电容器是体积庞大的元器件,在印刷电路板的布局中必须考虑长度和直径,尤其是在以后必须为更大的超级电容器留出空间的情况。
对于某些应用来说,印刷电路板尺寸的增加可能是不可接受的,这限制了超级电容器的容量。此外,较大的超级电容器还可能干扰物联网节点周围的气流,从而阻碍散热。在设计用于欠压或掉电保护的超级电容器时,这些都是重要的考虑因素。

超级电容器放电时间
公式 1 可用于计算超级电容器的估计放电时间,从而很好地估算它在断电时可驱动电路的时长。
公式 1
其中:
tseconds = 超级电容器可为电路提供足够电力的时间,以秒为单位
CFarads = 电容,以法拉为单位
Vmax = 初始放电时电容器两端的电压
Vmin = 电容器在无法为电路供电之前可以放电的最小电压
Imax = 电路的最大(最差情况)电流消耗,以安培为单位
与所有电容器一样,超级电容器也具有等效串联电阻 (ESR)。但是,ESR 会因温度、电容器电压和电流消耗而异。电容器值超过 1 法拉时,ESR 小于 10 毫欧 (mΩ),这使得 ESR 对放电时间的影响极小。
为了有效地应用于欠压保护,工程师需要为给定应用选择一款能够满足公式 1 的超级电容器。开发人员还应在模拟欠压和断电条件下测试自己的系统,以观察使用所选电路板元器件时的实际运行情况。由于电容器最初可能会充电至高于电路所需工作电压的电压,因此建议使用低压差稳压器 (LDO) 来管理电容器电压输出。

简单的欠压和掉电保护
对于仅持续几秒的简单欠压保护(电线功率下降的情况),或者持续不到一分钟的掉电保护,较小的超级电容器就可以使小型物联网节点保持工作。例如,AVX Corporation 的 SCMR22L105SRBB0 1.0 F 是一款厚 8 毫米 (mm),宽 22 mm 的超级电容器(图 1)。该产品适用于恶劣的环境,工作温度范围为 -40°C 至 +65°C,而这些温度不适合任何锂离子电池。径向引线可用于垂直安装,有助于节省印刷电路板上的空间。
图 1:SCMR22L105SRBB0 是一款径向引线式超级电容器,尺寸为 8 mm x 22 mm。(图片来源:AVX Corporation)
SCMR22L105SRBB0 上的 ESR 仅为 840 mΩ,确保放电期间的功耗极低。最大充电电压为 9 V。
使用公式 1,可以计算出对消耗 80 毫安 (mA) 电流的简单物联网节点的放电时间。对于一个 3.3 V 系统,其中使用提供 9 V 电压的通用交流适配器将电容器充电至最大电压,并使用理想的低压差 (LDO) 稳压器,那么该 1.0 F 电容器在最佳条件下可供电 71 秒。SCMR22L105SRBB0 在额定温度和电压范围内的电容容差为 ±30%,因此在电容为 0.70 F 的最差情况下,估计可提供 80 mA 的电流 50 秒。这会因各个电容器的制造公差而异,因此最好按最差的情况进行设计。
在本例中,SCMR22L105SRBB0 的最差供电时间为 50 秒,足以应对欠压情况下的功率下降。
在布局超级电容器时,应按电源走线那样布置引线,以最大限度地减少电磁干扰 (EMI)。此外,超级电容器的绝缘套管不应与印刷电路板或任何其他元器件接触。如果套管因极端的焊接温度或外力受损,超级电容器的金属壳可能会短路,从而导致电路故障。
针对更高容量的应用,Illinois Capacitor 推出了 DSF407Q3R0 400 F 超级电容器,额定电压为 3.0 V(图 2)。该电容器的直径为 35 mm,长度为 60 mm,尺寸远大于前面提到的器件。由于在 400 F 超级电容器上施加反极性可能会损坏元件,因此 DSF407Q3R0 带有两个非连接键控引脚,以防止组装出错。
图 2:Illinois Capacitor 的 400 F 超级电容器的直径为 35 mm,长度为 60 mm,需要额外的电路板空间。它有两个键控引脚,以防止反极性组装。(图片来源:Illinois Capacitor)
虽然在公式 1 中 3 V 的额定电压似乎并不令人印象深刻,但 400 F 的额定电容提供了充足的容量。电容容差为 ±30%,因此最差情况下的额定电容为 280 F。对于消耗 350 mA 的 2.7 V 系统,根据公式 1,将电容器充电至 3.0 V 额定电压,在 400 F 下可提供 343 秒的典型备用电源,在 280 F 的最差情况下可提供 240 秒。这里是假设使用了理想 LDO 的情况,因此必须进行在线测试,以了解超级电容器在模拟欠压和断电条件下的表现。
400 F 电容器可能会发热,需要与其他元器件保持适当距离,这一点很重要。该电容器的顶部有通风口,因此上方必须留有足够的散热空间。

总结
超级电容器可用于在物联网和工业物联网节点的欠压和短期断电期间提供备用电源。与锂离子电池相比,超级电容器具有明显的优势,包括几乎不受限制的充放电循环、出色的高压性能,以及高效率和高可靠性。在由交流市电供电的物联网和工业物联网节点中正确使用超级电容器,可以降低维护和系统成本,同时提高整个网络的性能。
      

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