Суперконденсатор или аккумулятор для резервного питания

Сформулируйте функцию backup

Определите, что устройство делает при отказе: продолжает полную работу, завершает транзакцию, сохраняет состояние или только удерживает RTC. Запишите мощность каждого этапа и его длительность. Полезно строить timeline: detection, переключение, shutdown command, запись, подтверждение и отключение.

Также задайте максимальный перерыв перехода. Даже большой накопитель не поможет, если power mux переключается медленнее brownout MCU.

Энергия и мощность — разные ограничения

Энергия нагрузки E_LOAD = ∫P(t)dt. Для постоянных 4 Вт в течение 30 секунд требуется 120 Дж на выходе. Накопитель должен дать больше из-за потерь converter, ESR и недоступного остатка.

Мощность определяет ток и просадку в каждый момент. Маленький аккумулятор может иметь достаточные ватт-часы, но не допустимый pulse current; большой supercap — наоборот, легко даёт ток, но быстро теряет voltage.

Энергия суперконденсатора

Запас конденсатора E = 1/2 C V². Полезная энергия между V_MAX и V_MIN: E_USE = 1/2 C (V_MAX² − V_MIN²). В отличие от battery напряжение падает непрерывно, поэтому buck-boost/boost позволяет использовать большую часть энергии.

Нельзя разряжать до нуля, если converter прекращает работу при 5 В. Остаток 1/2 C V_MIN² физически остаётся, но для системы недоступен.

Сквозной расчёт на 30 секунд

Нагрузка 5 В / 0,8 А потребляет 4 Вт; за 30 с нужно 120 Дж. Пусть stack заряжен до 10,8 В, converter работает до 5 В, средний КПД 85 %. Тогда требуемая эквивалентная ёмкость stack:

C = 2E / [η(V_MAX² − V_MIN²)] = 240 / [0,85 × (10,8² − 5²)] ≈ 3,08 Ф.

Если stack состоит из четырёх одинаковых series cells, его эквивалентная ёмкость C_CELL/4; значит каждая cell должна иметь минимум около 12,3 Ф. На практике добавляют запас на tolerance, aging, temperature и converter limit, например рассматривают 15–20 Ф, но окончательное значение подтверждают моделированием/разрядом.

ESR создаёт мгновенную просадку

В момент перехода voltage падает на ΔV_ESR = I × ESR_STACK. При низком 5-вольтовом конце input current для 4 Вт и 85 % примерно 4/(0,85×5)=0,94 А. Если четыре cells имеют по 20 мОм, stack ESR 80 мОм, просадка около 75 мВ, loss I²R ≈ 71 мВт.

ESR растёт при старении и низкой температуре. При constant-power load ток увеличивается по мере разряда, поэтому worst case находится ближе к V_MIN, а не сразу после переключения.

Последовательные cells требуют балансировки

У supercapacitor cell низкое допустимое напряжение, поэтому для 10,8 В нужны четыре 2,7-вольтовых элемента. Разброс leakage распределяет voltage неравномерно: одна cell может превысить limit, хотя сумма нормальна. Применяют passive resistors, active balancing или специализированный controller.

Passive balancing постоянно расходует энергию; ток резистора должен заметно превышать worst-case mismatch leakage, но не перегружать зарядник. Active circuit эффективнее и сложнее. Измерение каждой cell полезно для диагностики.

Derating voltage и температура

Высокие voltage и temperature ускоряют деградацию supercap. Работа ровно на maximum rating может дать расчётную энергию, но сократить lifetime. Производитель обычно предоставляет life model и рекомендации derating.

Размещайте cells вдали от горячего DC/DC. В герметичном шкафу ambient может быть значительно выше комнатной. Срок жизни оценивают по реальному thermal profile.

Leakage и длительное хранение

Supercap имеет leakage и self-discharge. После долгого отключения он может быть пуст, а после подачи питания потребуется charge time. Система не должна объявлять себя backup-ready до накопления минимальной энергии.

Контроллер может оценивать capacitance/ESR и сигнализировать health. Простое измерение open-circuit voltage не доказывает достаточную мощность.

Когда аккумулятор лучше

Для минут и часов battery обычно выигрывает по energy density. Она удерживает voltage в более узком диапазоне и требует меньшего converter ratio. Но нужно учитывать допустимый C-rate, cycle/calendar aging, low-temperature power, safety и replacement.

Резервная батарея, постоянно находящаяся на полном charge при высокой температуре, может деградировать быстрее ожидаемого. Для редких аварий важнее calendar life, чем число циклов.

Когда суперконденсатор лучше

Supercap подходит для частых коротких провалов, high-power pulses, controlled shutdown и систем с очень большим числом циклов. Он хорошо переносит частые charge/discharge, но требует больше объёма на ту же энергию.

Если backup длится секунды и работает несколько раз в день, его cycle advantage существенен. Если нужно питать радио часами раз в год, battery вероятно эффективнее.

Гибридная архитектура

Battery хранит энергию, supercap принимает pulse load и уменьшает current peaks. Это полезно для cellular transmit, моторного старта или cold environment. Между накопителями нужен контролируемый power path, иначе низкий ESR supercap создаст большой equalization current.

Рассчитывают зарядный limit, bidirectional converter и fault isolation. Параллельное соединение без контроля редко является законченной архитектурой.

Charger, power mux и fail detection

Backup controller заряжает накопитель, обнаруживает падение входа, отключает неисправный source и включает boost/buck-boost. Важны reverse current, switchover time, current limit, undervoltage cutoff и power-good. Для supercap controller также балансирует stack и оценивает health.

Firmware получает early power-fail сигнал до падения system rail. Энергия между threshold detection и MCU brownout должна покрывать worst-case запись данных.

Проверка записи данных

Не ограничивайтесь резистивной нагрузкой. Flash/eMMC имеет пиковый ток и переменное время flush. Прерывание питания во время filesystem update может повредить данные даже при достаточной средней энергии.

Используйте transactional storage, preallocated journal и подтверждение завершения. Тестируйте тысячи случайных отключений на разных этапах и проверяйте целостность после каждого старта.

Практическая проверка расчёта

Для рассчитанного stack 4×15 Ф сначала измеряют individual cell voltages, capacitance и ESR. Нагрузку 4 Вт подключают через реальный converter при min/max temperature. Фиксируют момент input fail, system voltage, stack current, V_MIN, shutdown duration и remaining margin.

Затем состаривают модель: уменьшают C и увеличивают ESR до end-of-life limits производителя. Если 30 секунд выполняются только новыми cells при +25 °C, проект не принят.

Примеры из каталога ChipBaza

LTC3350IUHF#PBF иллюстрирует controller для charging/monitoring series supercapacitor stack и backup boost. MAX38888ATD+ относится к backup regulator architecture, а BCAP0050 P270 S01 — к высокоёмким supercapacitor cells. Это не готовый комплект без расчёта voltage/current.

Перед выбором сверяют cell voltage, capacitance tolerance, ESR, life curves, controller input/output range, number of cells, charge current, package и exact suffix.

Типовые ошибки

Чек-лист backup