Hai un Backup? Mantieni la continuità di alimentazione!

Al giorno d'oggi, nell’epoca della connettività costante, è molto comune che diversi sistemi elettronici rimangano costantemente in funzione, indipendentemente dall'ambiente che li circonda o dalle condizioni operative. Detto in un altro modo, qualsiasi anomalia dei loro sistemi di alimentazione, che sia di un solo istante, di qualche secondo o perfino di minuti, deve essere tenuta in considerazione in fase di progetto.

Introduzione

Il modo più comune per affrontare delle anomalie energetiche è di utilizzare gruppi di continuità (UPS) per la copertura di questi brevi periodi di interruzione, garantendo in questo modo l'alta affidabilità e il funzionamento continuo del sistema. Analogamente, molti sistemi moderni di emergenza e di standby vengono utilizzati negli edifici, per garantire che i sistemi di sicurezza e gli apparati critici possano continuare a funzionare durante l'interruzione della rete elettrica – qualunque ne sia la causa.

Altri esempi evidenti si possono trovare facilmente negli onnipresenti dispositivi elettronici portatili che usiamo nella vita di tutti i giorni. Dato che l'affidabilità riveste un'importanza enorme, questi dispositivi sono progettati con estrema attenzione con sorgenti di alimentazione leggere per un uso sicuro in condizioni normali. Di contro, non esiste raffinatezza progettuale che possa impedire i maltrattamenti ai quali verranno sottoposti in mano agli utenti. Per esempio, cosa accade quando un operatore fa cadere un dispositivo portatile di scansione, causando il distacco della batteria? Eventi del genere sono imprevedibili dal punto di vista elettronico e dati importanti, memorizzati nella memoria volatile, potrebbero andare persi senza una qualche forma di protezione – vale a dire un sistema per il mantenimento dell'alimentazione a breve termine, che immagazzini energia sufficiente a fornire alimentazione in stand-by finché la batteria viene sostituita o i dati registrati sulla memoria permanente.

Questi esempi dimostrano chiaramente la necessità di poter disporre di una sorgente di alimentazione alternativa nei sistemi elettronici, nel caso si verifichi un'interruzione nella loro fonte di alimentazione primaria.

Nei sistemi elettronici automotive esistono molte applicazioni che richiedono alimentazione continua anche quando il veicolo è parcheggiato (motore fermo), quali sistemi di accesso remoto keyless, sicurezza e anche infotainment personale, che solitamente incorporano funzionalità di navigazione, localizzazione GPS e di eCall. È semplice comprendere perché questi sistemi debbano rimanere in funzione anche quando la vettura non è in movimento, dato che le funzioni relative al GPS devono essere “always-on” a scopo di emergenza e sicurezza. Questo requisito è necessario affinché, in caso di necessità, un operatore esterno possa attivare almeno una forma di controllo elementare.

Considerate un sistema eCall (ad esempio l’OnStar® di GM negli Stati Uniti) che molti produttori hanno già lanciato attraverso le proprie gamme di prodotto, facendolo diventare via via più pervasivo nelle vetture più recenti. Di fatto, in Europa questi sistemi sono diventati obbligatori per tutte le nuove vetture e gli autocarri leggeri venduti dopo il 31 Marzo 2018. Si tratta di un oggetto tecnologico molto semplice: nell'eventualità di una collisione nella quale siano stati attivati gli airbag della vettura, il sistema eCall contatta automaticamente i servizi di emergenza. Utilizza il GPS per comunicare alle autorità l'ora, il luogo, il tipo di vettura coinvolta e il carburante utilizzato, mentre un microfono nell'abitacolo consente di parlare direttamente ai gestori della chiamata, quando il sistema è attivato. Questi sistemi eCall possono comunicare la direzione presa al momento dell'incidente, consentendo alle autorità di conoscere il lato dell'autostrada verso il quale dirigersi nell'eventualità di una collisione. Tutto ciò permette a ambulanze, polizia e vigili del fuoco di giungervi il più velocemente possibile in seguito a un incidente, forniti del maggior numero possibile di informazioni. L’eCall può essere attivato anche dall'utente con la pressione di un pulsante, per chiedere aiuto in caso di malori o di feriti in una collisione nella quale gli airbag non sono intervenuti.

Mezzi di accumulo

Dopo aver riconosciuto la necessità dell’alimentazione di backup in un'ampia varietà di sistemi, sorge spontanea la domanda: quali sono le opzioni di scelta del mezzo di accumulo per questo tipo di backup di alimentazione? Tradizionalmente, le scelte sono sempre ricadute su condensatori e batterie.

È lecito affermare che la tecnologia del condensatore abbia giocato un ruolo fondamentale nelle applicazioni di trasmissione e fornitura di potenza per molti decenni. Per esempio, i progetti basati su condensatori tradizionali a film sottile e a olio hanno svolto innumerevoli funzioni, come la correzione del fattore di potenza e la stabilizzazione di tensione. Tuttavia, nell'ultimo decennio ricerche e sviluppi sostanziali hanno portato a progressi significativi nella progettazione e nelle possibilità d’uso dei condensatori. Questi sono stati chiamati supercondensatori (conosciuti anche come ultracondensatori) e sono ideali per l'utilizzo in sistemi di energy storage e di backup di alimentazione a batteria.

I supercondensatori possono essere limitati in termini di energia complessiva accumulata; tuttavia, sono dispositivi ad “alta densità energetica.” Inoltre sono in grado di scaricare rapidamente alti livelli di energia e di ricaricarsi altrettanto rapidamente.

I supercondensatori non sono soltanto compatti, ma anche robusti, affidabili e supportano i requisiti di un sistema di backup durante gli eventi di interruzione di rete di breve durata come quelli già descritti in questo articolo. Per di più, si possono collegare facilmente in parallelo, in serie o anche in combinazione di queste modalità per soddisfare la richiesta di tensione e corrente dell'applicazione finale. Tuttavia, un supercondensatore è qualcosa di più di un semplice condensatore con un altissimo valore di capacità. Paragonati ai tradizionali condensatori ceramici, al tantalio o elettrolitici, i supercondensatori offrono, a parità di fattore di forma e di peso, densità energetica e capacità più elevate. Nonostante i supercondensatori necessitino di “cure e attenzioni” particolari, potenziano o addirittura sostituiscono le batterie nelle applicazioni di data storage che richiedono alimentazione di backup con corrente elevata nel breve periodo.

Inoltre stanno trovando impiego anche in svariate applicazioni portatili e a elevati picchi di potenza, che hanno bisogno di alti spunti di corrente o il backup momentaneo a batteria, come nei sistemi UPS.

In confronto alle batterie, i supercondensatori forniscono picchi di potenza più alti con fattori di forma più ridotti e sono più longevi in termini di cicli di carica su un intervallo termico operativo più ampio. La vita utile di un supercondensatore può essere massimizzata riducendo la tensione limite di carica e evitando le temperature eccessive (>50°C).

Le batterie, d'altro canto, possono immagazzinare una notevole quantità di energia, ma sono limitate in termini di densità di potenza e erogazione. A causa delle reazioni chimiche che avvengono al loro interno, hanno una vita limitata in termini di cicli di carica e scarica. Di conseguenza, sono più indicate quando si devono fornire potenze modeste su un periodo di tempo prolungato, dato che scaricarle a correnti elevate limiterebbe seriamente la loro vita utile. La tabella 1 mostra un riassunto tra i pro e i contro di supercondensatori, condensatori e batterie.

 

Parametro Supercondensatori Condensatori Batterie
Energy Storage W/s di energia W/s di energia W/h di energia
Metodo di carica Tensione applicata su terminali (p. es. da una batteria) Tensione applicata su terminali (p. es. da una batteria) Corrente & tensione
Potenza erogata Scarica rapida, decadimento della tensione lineare o esponenziale Scarica rapida, decadimento della tensione lineare o esponenziale Tensione costante sul lungo periodo
Tempo di carica/scarica dal msec al sec dal psec al msec da 1 a 10 h
Fattore di forma Piccolo Piccolo - grande Grande
Peso 1-2g da 1g a 10kg da 1g a >10kg
Densità energetica da 1 a 5Wh/kg da 0,01 a 0,05Wh/kg da 8 a 600Wh/kg
Densità di potenza Alta, >4000W/kg Alta, >5000W/kg Bassa, 100-3000W/kg
Tensione operativa 2,3V-2,75V/elemento 6V – 800V 1,2V – 4,2V/elemento
Ciclo di vita >100 k cicli >100 k cicli da 150 a 1500 cicli
Temperatura operativa da -40 a +85°C da -20 a +100°C da -20 a +65°C

Tabella 1: Caratteristiche dei supercondensatori e confronto con condensatori e batterie

 

Nuove soluzioni di backup con Power Manager

Ora che abbiamo stabilito che i supercondensatori, le batterie e/o la combinazione di entrambi sono candidabili all'utilizzo come fonte di alimentazione di  backup in quasi tutti i sistemi elettronici, quali sono alcune tra le soluzioni disponibili?

Innanzitutto, qualunque soluzione IC dovrebbe consistere in un sistema completo di power management e backup con batterie agli ioni di litio, in grado di mantenere attive linee di alimentazione da 3,5V a 5V durante un evento di interruzione di rete. Dato che le batterie forniscono una quantità di energia considerevolmente più elevata rispetto ai supercondensatori, danno prestazioni superiori nelle applicazioni che richiedono il backup per periodi di tempo prolungati. Di conseguenza, ogni soluzione IC dovrebbe disporre di un convertitore sincrono bi-direzionale on-chip per provvedere alla carica della batteria di backup con un alto livello di efficienza, così come dovrebbe essere in grado di fornire alimentazione di backup con corrente elevata verso il carico in uscita in caso di interruzione della linea di alimentazione principale. Così, quando è disponibile l'alimentazione esterna, il dispositivo dovrebbe funzionare come un carica batteria step-down per singoli elementi Li-Ion o LiFePO4, dando la priorità al carico di sistema. Tuttavia, se l'alimentazione di ingresso dovesse scendere improvvisamente al di sotto della soglia regolabile del Power-Fail Input (PFI), l’IC dovrebbe funzionare come un regolatore step-up, in grado di erogare diversi ampere all'uscita di sistema, utilizzando la batteria di backup.

Di conseguenza, se si dovesse verificare una mancanza di rete, l’IC dovrebbe prendere il controllo del percorso di alimentazione bloccando le correnti inverse e passando senza interruzione dalla fonte di alimentazione d’ingresso a quella di backup. Le applicazioni tipiche per un IC di questo tipo possono comprendere tracciatura di flotte e di valori, data logger GPS e sistemi telematici per automotive, sistemi di riscossione pedaggio, sistemi di sicurezza, sistemi di comunicazione, backup industriali e dispositivi alimentati via USB. La Figura 1 illustra un tipico schema applicativo per questi impieghi, con un backup manager  per batteria a ioni di litio LTC4040 Power by Linear  di Analog Devices.

 

Figura 1: Un alimentatore di backup che utilizza l'LTC4040 con la soglia PFI predisposta dall'utente

 

L’LTC4040 include una funzione opzionale di protezione overvoltage (OVP) che, con l'impiego di un FET esterno, può proteggere l’IC da tensioni di ingresso superiori a 60V. La funzione di regolazione del limite di corrente d'ingresso permette il funzionamento da una sorgente limitata, dando la priorità alla corrente di carico di sistema rispetto a quella destinata al processo di carica. Durante il backup, uno switch esterno di disconnessione isola l'ingresso primario di alimentazione dal sistema. Il circuito di carica batteria da 2,5A dell’LTC4040 fornisce otto tensioni di carica selezionabili, ottimizzate per batterie Li-Ion e LiFePO4. Il dispositivo include anche il monitoraggio della corrente d'ingresso, gli indicatori di power fail d’ingresso e di sistema.

I supercondensatori sono simili alle batterie; tuttavia, invece di supportare la mancanza di alimentazione per lunghi periodi di tempo, rappresentano la scelta eccellente per sistemi che richiedono alimentazione di backup ad alta potenza per brevi periodi. Di conseguenza, qualsiasi IC che supporti questo tipo di applicazioni dovrebbe tipicamente essere in grado di supportare linee di alimentazione da 2,9V a 5,5V durante un'interruzione della rete elettrica. È noto che i supercondensatori hanno una densità di potenza più elevata rispetto alle batterie, divenendo la scelta ideale per i sistemi le cui applicazioni richiedono alimentazione di backup con picchi di potenza elevati per brevi intervalli di tempo. A titolo di esempio, l’LTC4041 Power by Linear di Analog Device utilizza un convertitore bidirezionale sincrono on-chip per fornire la carica step-down ad alta efficienza di un supercondensatore, così come per l’alimentazione di backup in modalità boost con corrente elevata e alto livello di efficienza. Quando è disponibile l'alimentazione esterna, il dispositivo funziona come un caricabatteria step-down per uno o due supercondensatori, dando la priorità al carico di sistema. Quando l'alimentazione d’ingresso  scende al di sotto della soglia regolabile del power-fail input (PFI),  l’LTC4041 passa alla modalità di regolatore step-up, in grado di erogare fino a 2,5A al carico di sistema, utilizzando il supercondensatore. Durante un’interruzione di rete, il controllo PowerPath™ del dispositivo provvede al blocco delle correnti inverse e al passaggio dall'alimentazione di ingresso a quella di backup senza interruzione. Le tipiche applicazioni per l’LTC4041 includono alimentatori ride-through “dying gasp”, gruppi di continuità (UPS) ride-through ad alta corrente da 3V-5V, misuratori di potenza, allarmi industriali, server e drive allo stato solido. La Figura 2 mostra un tipico schema applicativo dell’LTC4041.

 

Figura 2: Schema applicativo di sistema di backup con LTC4041 e supercondensatori

 

L’LTC4041 include una funzione opzionale di protezione overvoltage (OVP) che, con l'impiego di un FET esterno, può proteggere l’IC da tensioni di ingresso superiori a 60V. Un circuito di bilanciamento interno mantiene tensioni identiche su ciascun supercondensatore e le limita a un valore massimo predeterminato. La funzione di regolazione del limite di corrente d'ingresso permette il funzionamento da una sorgente limitata, dando la priorità alla corrente di carico di sistema rispetto a quella destinata al processo di carica. Durante il backup, uno switch esterno di disconnessione isola l'ingresso primario di alimentazione dal sistema. Il dispositivo include anche il monitoraggio della corrente d'ingresso, gli indicatori di power fail d’ingresso e di sistema.

Conclusioni

In tutti i casi in cui un sistema deve essere costantemente disponibile, anche se la fonte primaria di alimentazione dovesse mancare o venisse interrotta per brevi periodi, avere a disposizione una sorgente di alimentazione di backup è sempre una scelta consigliabile. Fortunatamente, ci sono molte opzioni IC che progettisti potrebbero considerare per le proprie esigenze specifiche, compresi i backup manager LTC4040/41. Questi tipi di IC rappresentano un metodo semplice per avere a disposizione alimentazione di backup se l'alimentazione principale si interrompe o viene persa, sia che il mezzo di accumulo sia un supercondensatore, un condensatore elettrolitico oppure una batteria. L’LTC4040 e/o LTC4041 hanno la funzionalità di fornire alimentazione di backup a un sistema finale – sia per un intervento momentaneo sia per periodi di tempo prolungati. Pertanto, assicuratevi che il vostro sistema sia dotato del sistema di backup appropriato quando serve.

 

A cura di Tony Armstrong, Director of Product Marketing &  Steve Knoth Sr. Product Marketing Engineer - Analog Devices Inc. Power by Linear Product Group

 

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