私たちの周囲のあらゆるシステムがますますインテリジェント化する中で、常時電源が入っている機器が標準になっています。電源ケーブルやシステムのバッテリの取り外しなどによって、これらの回路から電源が切断または除去されると停電が発生することになります。停電が発生すると、重要なデータが失われる可能性があり、システムは重要なデータをバックアップしようと最後の1マイクロ秒まで努力します(図1)。

  • スーパーキャパシタ

    図1.必死でデータを保存しようとする最後の努力(イメージ)

ここでさっそうと登場するスーパーヒーローが、SuperCapまたはスーパーキャパシタと呼ばれるデバイスです。スーパーキャパシタは保険証券のようなもので、短時間の一時的なバックアップ電流源を提供することによってクラッシュ状態を遅らせます。これは心強く感じられますが、その特性の中には、パワーコンバータの助けがないとスムーズな復旧を阻害するものがあります。

本稿では、このデザインソリューションの構築を構築を考えてみたいと思います。最初にスーパーキャパシタの機能について簡単に説明します。次に、電源バックアップソリューションでの現実の充放電ソリューションとしての使用方法を示します。スーパーキャパシタを例として使いますが、大容量のタンタルコンデンサバンクを使用することも可能です。単に、スーパーキャパシタの方が同じ実装面積でより多くの容量を提供するということです。なぜリチウムイオン(Li+)バッテリを使わないのか不思議に思う人もいるでしょう。リチウムイオンバッテリは優れた充電式バックアップ電源の役割を果たしますが、重量が重く、充電に時間がかかり、寿命が限られ、充放電に特別な回路やアルゴリズムが必要なため短時間の電源バックアップとしては高コストです。

スーパーキャパシタの特性

スーパーキャパシタは大容量コンデンサで、より低い定格電圧制限で提供され、非常に大きい容量値に対応します。その他の特長として、高エネルギー密度、低DC等価直列抵抗(DC-ESR)、および電圧と電流に関するリニアな充電/放電があります。では、スーパーキャパシタ、標準的なコンデンサ、およびバッテリを少し詳しく比較してみましょう。

スーパーキャパシタの容量は標準的なコンデンサの数百倍です。この高い容量値によって、大量のエネルギーストレージを容易に実現可能です。

エネルギーストレージとは、デバイス(コンデンサまたはバッテリ)が保持可能なエネルギーの量です。エネルギーストレージ密度は、通常はグラム当りのミリワット時(mWh/g)で表されます。手頃なスーパーキャパシタのエネルギーストレージ密度で、複数のアプリケーションで短時間の電源として使用することができます。電気二重層コンデンサ(EDLC)またはスーパーキャパシタのエネルギーストレージは、標準的なコンデンサ(タンタル、セラミック、アルミ、フィルム、シリコン、電解など)とバッテリの中間です。

コンデンサまたはバッテリの等価直列抵抗(ESR)の測定は、DC付近またはそれより高い周波数(100kHzなど)で行われます。一般に、公称のコンデンサのESR値は高い側のテスト周波数が使用されています。充電流または放電電流は通常はDC付近で発生するため、ほとんどのスーパーキャパシタまたはバッテリアプリケーションではDC近傍のESRの値が重要です。ESRによって、スーパーキャパシタの充放電電流で低電圧誤差が発生します。

バッテリとスーパーキャパシタは、どちらも電気エネルギーを蓄積します。広く使用されているバッテリは、より高いエネルギー密度を備えています。しかし、高電力密度のスーパーキャパシタは迅速な充放電が可能です。

  • スーパーキャパシタ

    表1. スーパーキャパシタ、タンタルコンデンサ、およびバッテリの比較

スーパーキャパシタは、標準的なコンデンサとバッテリの隙間を埋めるのに適切な働きをします。これらの特性を備えたスーパーキャパシタは、大容量と中程度のエネルギー密度によって一時的バックアップ源の優れた候補となります。

電源バックアップ用のスーパーキャパシタ

十分に充電されている場合、スーパーキャパシタは停電発生時に限られた量のエネルギーを既存の回路に供給します。バッテリが主電源でスーパーキャパシタがバックアップのポータブルアプリケーションを考えてみましょう(図2)。

  • スーパーキャパシタ

    図2. バッテリ取り外し時、回路はスーパーキャパシタを使用してミリ秒のシステムバックアップに役立つ十分な電流を提供します

図2で、永続はしないため、時間はスーパーキャパシタにとって最も貴重な必需品です。しかし、適切に選択すれば、スーパーキャパシタはバックアップリカバリ動作を迅速に行うのに十分な時間にわたって回路の電力を維持します。

図3は、図2のブロック図の一般的タイミング図を示しています。

  • スーパーキャパシタ

    図3. バッテリの装着によってスーパーキャパシタは充電され、システムバッテリ切断時に限られた給電を可能にします

図3で、スーパーキャパシタ(CSC)は、バッテリが回路に装着されると、バッテリの電圧レベルに到達しながら瞬時に充電への備えを収集します。これには通常、1%以下の量のバッテリ電荷の貯蔵が必要になります。システムはバッテリの電圧(VBAT)および電流(IB_SYS)によって給電されます。スーパーキャパシタの電圧(VSC)がVBATに到達すると、CSCはアイドルフェーズに移行し、ISCをゼロにして電荷を保持します。

システムはバッテリの取り外しまで機器の動作期間中スーパーキャパシタをアイドル状態に保ちます。機器の電力使用状況に応じて、アイドル時間は数日、数か月、または数年の場合があります。バッテリが除去されると、システムのバックアップが開始します。この短時間の間、CSCは電流(ISC)のさらなる保証およびスーパーキャパシタ電圧源(VSC)をシステムに提供し、迅速なバックアップリカバリを可能にします。この接続は、システムの各ICがそれぞれの最小電源電圧に到達することによって機能停止し始めるまで持続します。

スーパーキャパシタは電源電圧を一時的に維持しますが、未使用のエネルギーやスーパーキャパシタファミリの最大電圧の制限などの欠点があります。

未使用のスーパーキャパシタエネルギー

システムの最小電源によってスーパーキャパシタ内に未使用のエネルギーが残ります。たとえば、VBATが3.3VでVSYS(MIN)が2.7Vの場合、使用可能なエネルギーの66%が残ります。

最大電圧の制限

現在、平均的なスーパーキャパシタの電圧は2.5V~2.7Vの範囲です。この電圧によって、これらのコンデンサをスタックまたは直列に配置しない限り、使用可能なシステムのタイプが制限されます。たとえば、2つの2.7Vのスーパーキャパシタをスタックすると、5.4Vを提供することができます。しかし、これらの直列コンデンサの総容量は、

CSC = (C1 × C2) / (C1 + C2)

に減少します(ここで、C1 = C2です)。この等式によって総容量はC1またはC2より50%小さくなるため、C1およびC2は設計上のスーパーキャパシタの値の2倍にする必要があります。

さらに、PCBレイアウトのサイズとアプリケーションのコストが増大します。1つのスーパーキャパシタの代わりに2つのスーパーキャパシタを使う場合、2つのより大きいコンデンサ(C1およびC2)のそれぞれが、1つのより小さい(CSC)コンデンサの2倍のサイズのため、サイズは4倍に増大します。スタックされたスーパーキャパシタを使用する場合の追加のコストとして、直列コンデンサには、容量、抵抗値、および漏れ電流の許容誤差の違いを均一化するためのセルバランシング回路が必要になります。

スーパーキャパシタの効率を向上させる

バックアップの設計を見直してみましょう。前述のように、問題はスーパーキャパシタのエネルギーをより多く利用することと、最大電圧の制限を克服することです。図4の回路は、先ほどの欠点の両方を克服しています。

  • スーパーキャパシタ

    図4. スーパーキャパシタの電圧はシステムの電源電圧(VSYS)と無関係

図4に示した回路では、未使用のスーパーキャパシタのエネルギーは、ブースト機能を使って取り出されます。ブースト機能は、一定のシステム電源電圧(VSYS)を維持しながら、スーパーキャパシタ(CSC)からシステム電流(ISC_SYS)を生成します。この構成によって、スーパーキャパシタの電圧はシステム電圧とは無関係になり、必要なシステム電圧(VSYS)より大幅に低いブーストコンバータの最小許容入力電圧によって決まります。このより低い電圧によって、より多くの電荷を使用することができます。

チャージャによって、VSCとバッテリ電圧(VBAT)が無関係の構成が完全なものになります。チャージャ機能の実装は、スーパーキャパシタの入力下限電圧の要件を満たし、初期の充電を提供します。このデバイスには、監視回路IC(抵抗およびFETを含む)、低ドロップアウトリニアレギュレータ(逆方向電流保護内蔵のLDO)、バックコンバータ(逆方向電流保護内蔵)、またはスーパーキャパシタバックアップICが使用可能です。

図5は、図4の回路のタイミング図の例を示しています。図5の変数は、ISC_SYS = 500mA、VSC_INI = 2.7V、VSC_FIN = 1.5V、tBKUP = 3.8msです。CSCの値は、約2.3mFです。

  • スーパーキャパシタ

    図5. タイミング図の最初では、バックコンバータがスーパーキャパシタを充電します。最後の近くでは、ブーストコンバータがスーパーキャパシタを使ってシステム電圧(VSYS)およびシステム電流(ISC\_SYS)を提供します

図5で、装着されたバッテリはシステム電圧(VSYS)を4.5Vのレベルに駆動し、スーパーキャパシタの充電期間に移行します。VSYSが4.5Vに等しい間、チャージャはスーパーキャパシタが2.7Vの完全な電圧に達するまで電流を供給します。電圧(VSC)が規定の公称電圧である2.7Vに達すると、スーパーキャパシタの充電動作はアイドル期間に移行し、電流(ISC)は0Aになります。

VSYS電圧が低下して設定済みの3.15Vのレベルを下回るとバッテリ取り外しの発生が検出され、回路はシステムバックアップ期間(tBKUP)に移行します。バックアップ期間の間、ブーストDC-DCコンバータがオンになり、VSCからVSYSノードに3Vを提供するとともに、システムに必要な500mAの電流(ISYS)を生成します。

システムバックアップ期間の間、VSYSは3Vのままですが、スーパーキャパシタの電圧(VSC)は約0.316V/msで低下し、バックアップ時間(tBKUP)は次式に等しくなります。

  • スーパーキャパシタの計算式

ここでEff = ブーストコンバータの効率です。

理論上(Eff = 1)、パワーダウンリカバリ動作の実行およびスーパーキャパシタの電圧が2.7Vから1.5Vに進行する間に、3.8msが経過します。3つの1.5V AAアルカリチタンバッテリ(合計容量5.52Ah)の場合、この3.8msのリカバリ時間には約1.15m%のバッテリ電流が必要です。これは優れた低コストの方式です。

この時間値は、スーパーキャパシタのESR損失および実際のブースト効率によって、より3msに近くなります。この構成では、システムは使用可能なスーパーキャパシタのエネルギーの70%を使用し、30%のみが残ります。

スーパーキャパシタの電圧が1.5Vに到達すると、ブーストコンバータはオフになり、システムが0Vに低下するのを許容します。このタイプの安定化によって、プロセッサがデータ保存動作を実行するのに十分な長さにわたってシステム電圧が安定化されます。

スーパーキャパシタの選択手順

スーパーキャパシタの選択手順に関しては、2つの主な電気的仕様と3つのシステム仕様があり、前者は定格電圧(VSC)および容量(CSC)です。3つのシステム仕様は、システムの公称電力(VSYS × ISYS)、ブーストコンバータの最小電圧(VSC(MIN))、および電力停止の発生時に必要となるシステムリカバリ時間(tBKUP)です。

これらの仕様によって、スーパーキャパシタの容量値は次のように決まります。

  • スーパーキャパシタの容量値

たとえば、ISC_SYS = 500mA、VSC_INI = 2.7V、VSC_FIN = 1.5V、およびtBKUP = 3.8msの場合、CSCの値は約2.3mFになります。

集積型ソリューション

この設計問題に対する集積型ソリューションの1つの例は、反転可能バックおよびブーストコンバータをチップに内蔵しています。Maxim Integratedの「MAX38888」は、Continuaバックアップ電源レギュレータファミリの最初の製品です。この小型ソリューションは、より低い電力および1つのインダクタのみを必要とする小型形状の提供によって、ディスクリートのソリューションより優れています(図6)。

  • スーパーキャパシタ

    図6. スーパーキャパシタの充電過程はバックDC-DCコンバータを使用し(回路のVSC側)、放電過程はブーストDC-DCコンバータを使用します(回路のVSYS側)

図6で、主バッテリが除去されると、ブーストコンバータはVSYSまたはシステム負荷を一定の電圧に保持し、スーパーキャパシタはブーストDC-DCコンバータへの入力電流および電圧を提供します。バッテリが回路に復帰すると、システム負荷は通常動作に戻り、バックコンバータはスーパーキャパシタを再充電します。このシステムは、規定されたスーパーキャパシタの電圧が必要なVSYSの最小値より低い場合でも動作します。

MAX38888は評価キット「MAX38888EVKIT」を使用して評価可能で、ツールを使用してスーパーキャパシタを選択します。

結論

しばしば誤解されますが、スーパーキャパシタは長期的エネルギーを提供するバッテリの代替品ではなく、また周波数シグナルチェーンのコンデンサやバイパス素子として使用されることもありません。スーパーキャパシタは、数ミリ秒または最大で数分間続く電力の切れ目を非常に効果的に埋めることができます。

バッテリ動作のハンドヘルドコンピュータ、火災報知器、電気メーター、ホームオートメーション、およびカメラは、スーパーキャパシタの非常に大きい容量と非常に低いESRの組み合わせが有効で、一般的なバックアップ電源の問題を解決するための新しい方法を提供します。スーパーキャパシタの機能を効果的に使用するために、バックおよびブーストレギュレータデバイスはスーパーキャパシタとシステム電源レールの間で電力をうまく転送します。この方式は、システムのデータバックアップ時間を数マイクロ秒からより安心な数ミリ秒~数分の範囲へと延長します。

参考文献

MAX38888:2.5V–5.0V, 0.5A/2.5A Reversible Buck/Boost Regulator for Backup Power Applications

著者プロフィール

Bonnie Baker
Maxim Integrated
マーケティング部
主席テクニカルライター

エレクトロニクス技術者であり、「A Baker’s Dozen: Real Analog Solutions for Digital Engineering (2005年)」をはじめとする3冊のアナログ設計に関する本を執筆。Burr-Brown、Microchip、Texas InstrumentsおよびMaxim Integratedにおいて、30年以上にわたりアナログ設計とアナログシステムに関与してきた。アリゾナ大学(アリゾナ州ツーソン)で電気工学の修士号、北アリゾナ大学(アリゾナ州フラッグスタッフ)で音楽教育学士号を取得。アナログ設計の魅力に加えて、500以上の記事、設計ノート、アプリケーションノートの著述を通じて知識と経験を共有する機会を得ている