L'utilizzo della tecnologia PassThru aiuta a prolungare la durata dei sistemi di accumulo di energia

Metodi per estendere la durata della batteria e migliorare le prestazioni del sistema di stoccaggio dell'energia

Le batterie sono componenti cruciali dei sistemi di accumulo di energia. Estendere la durata della batteria significa migliorare le prestazioni del sistema, aumentare il tempo di funzionamento e ridurre i costi. Tipicamente, ci sono tre modi per prolungare la durata della batteria, tra cui migliorare la tecnologia della batteria, progettare dispositivi migliori e fornire sistemi innovativi di gestione dell'energia.

Migliorare la tecnologia delle batterie comporta la selezione di batterie adatte per applicazioni specifiche e la progettazione di sistemi di gestione delle batterie appropriati per controllare la carica, regolare la temperatura e ridurre al minimo il consumo di energia. Progettare dispositivi migliori richiede l'analisi di componenti hardware efficienti e firmware robusto, entrambi essenziali per bilanciare funzionalità e indicatori di durata. Per ottenere un'ottimizzazione energetica intelligente, si possono utilizzare i più recenti sistemi di gestione dell'energia. Questi sistemi impiegano algoritmi basati su AI, strutture di topologia innovative e metodi di controllo dei convertitori efficienti, come la modalità PassThru e la modalità di risparmio energetico.

Inoltre, l'utilizzo di dispositivi di accumulo di energia come i supercondensatori insieme alle batterie può beneficiare di vari scenari applicativi. I supercondensatori offrono vantaggi tra cui supporto per la ricarica rapida e lo scarico di brevi esplosioni di potenza, maggiore durata e maggiore efficienza complessiva del sistema. Ad esempio, i supercondensatori sono adatti per l'accumulo rapido di energia e per fornire energia di riserva. Possono resistere a condizioni di temperatura estreme. Quando vengono utilizzati insieme alle batterie, come nei veicoli elettrici, i supercondensatori aiutano a migliorare le prestazioni e prolungare la durata della batteria. Inoltre, i supercondensatori sono più ecologici.

Una differenza fondamentale tra supercondensatori e batterie è che, alla stessa tensione nominale, una batteria al polimero di litio da 6 celle e 0,1Ah presenta le caratteristiche di una sorgente di tensione, fornendo una tensione più stabile durante l'operazione. Al contrario, quando la corrente fluisce da un supercondensatore da 2F al carico, la tensione diminuisce linearmente. La caratteristica di scarica lineare dei supercondensatori richiede un sistema più efficiente per convertire la loro energia. In questo scenario, è più adatto utilizzare una funzione di convertitore buck-boost, poiché questo convertitore può adeguatamente regolare e stabilizzare la tensione di uscita indipendentemente dal fatto che la tensione di ingresso sia inferiore o superiore alla tensione di uscita impostata.

La modalità PassThru è un mezzo importante per ottenere l'ottimizzazione dell'efficienza

La tecnologia PassThru è una caratteristica fondamentale dei dispositivi di alimentazione con ampio input. Rispetto ai sistemi che utilizzano metodi di controllo convenzionali (controller buck-boost standard), può migliorare l'efficienza e aumentare la durata dei sistemi di accumulo di energia. "Pass-through" si riferisce alla trasmissione diretta dell'input all'interno di una finestra di tensione predefinita verso l'output, come se si verificasse un cortocircuito. La tecnologia PassThru agisce come una rete tra la fonte di alimentazione (ad es., supercondensatore) e il carico, garantendo la regolazione della tensione entro intervalli accettabili specificati. Fornisce un percorso diretto dalla fonte di alimentazione al carico per garantire che il dispositivo operi nel modo più efficiente possibile. La modalità PassThru è un mezzo importante per garantire un'efficienza ottimizzata per i dispositivi alimentati da supercondensatori perché riduce i cicli di carico/scarico dei supercondensatori e migliora l'EMI e le prestazioni complessive del dispositivo.

In un convertitore buck-boost a quattro switch, la modalità PassThru fornisce un percorso diretto dalla fonte di alimentazione al carico di uscita basato su impostazioni di finestra specificate. L'ingresso viene trasferito direttamente all'uscita, eliminando le perdite di commutazione e migliorando così l'efficienza all'interno della finestra PassThru specificata. Inoltre, migliora la compatibilità elettromagnetica poiché non vi è frequenza di commutazione durante la modalità PassThru. La modalità PassThru nei convertitori buck-boost offre flessibilità consentendo tensioni di uscita diverse per l'uscita buck rispetto all'uscita boost. Questo è contrario ai tipici IC buck-boost che forniscono solo una tensione nominale di uscita. Questa caratteristica protegge anche il carico quando la tensione di ingresso si comporta in modo anomalo.

Il controllo della modalità PassThru migliora l'efficienza operativa del sistema

PassThru Mode è un modo operativo del LT8210, che è l'unico controller buck-boost sul mercato con questa capacità. Usando come esempio la scheda demo DC2814A-A, questa scheda demo utilizza il LT8210 con un intervallo di tensione di ingresso da 4 V a 40 V, una corrente di carico completa di 3 A e una tensione di uscita da 8 V a 16 V. Quando opera in PassThru Mode, l'efficienza può migliorare fino al 5% sotto carichi pesanti rispetto al funzionamento buck-boost, e fino al 17% sotto carichi leggeri (come un carico di corrente al 10%). Pertanto, PassThru Mode ottiene miglioramenti significativi delle prestazioni in condizioni operative di carico leggero.

Vale la pena notare che, sebbene la modalità PassThru del LT8210 consenta una tensione di uscita diversa dalla tensione di uscita del buck, vi è ancora una regione buck-boost quando la tensione di ingresso è vicina all'impostazione della tensione di uscita. La ragione di questa regione buck-boost nel LT8210 è che vi è una sovrapposizione tra le regioni di controllo del buck e del boost della regolazione della corrente dell'induttore.

Per valutare l'efficacia dell'applicazione della modalità PassThru, viene utilizzato un convertitore buck-boost a quattro interruttori come pre-regolatore per il convertitore point-of-load, utilizzato anche come driver per motore. Sebbene la fonte di energia sia un supercondensatore da 24V, il motore DC richiede una tensione di ingresso di 9V e una corrente di ingresso di 0,3A. Il convertitore buck-boost opererà in modalità PassThru, o nel controller buck-boost a quattro interruttori convenzionale funzionante in Modalità di Conduzione Continua (CCM). Si noti che il controllo buck-boost convenzionale non dispone della modalità PassThru; ha solo operazioni di buck, boost e buck-boost.

Il sistema che utilizza la modalità PassThru imposta la tensione di uscita del boost a 12V e la tensione di uscita del buck a 27V. In questo modo, la tensione di avvio del supercondensatore può rientrare nel limite della banda passante. Pertanto, il sistema passerà attraverso la modalità PassThru dalla tensione del supercondensatore di 24V a 12V. Durante questo periodo, l'efficienza raggiunge il 99,9%. Rispetto al sistema con metodo di controllo convenzionale, la modalità PassThru migliora l'efficienza dal 22% al 27%.

Alcuni dei motivi principali per l'elevata efficienza dei sistemi controllati in modalità PassThru includono l'eliminazione dell'operazione buck, garantendo che la tensione della batteria rimanga entro la banda passante raccomandata e il suo design per funzionare sotto carichi leggeri, concentrandosi sulla riduzione delle perdite di commutazione. La tecnologia PassThru è un mezzo fondamentale per ottimizzare le prestazioni dei dispositivi alimentati da supercondensatori. Rispetto ai sistemi convenzionali controllati dall'operazione buck-boost CCM (Continuous Conduction Mode), l'adozione del controller buck-boost sincrono LT8210 con modalità PassThru può migliorare significativamente l'efficienza dei dispositivi alimentati da supercondensatori.

Supporta controllori DC/DC buck-boost a 4 interruttori sincroni

ADI ha introdotto il LT8210, un controller DC/DC buck-boost sincrono a 4 interruttori con capacità pass-thru, VIN e VOUT a 100V. Funziona in modalità PassThru, continua forzata, saltellamento impulsivo e Burst®. In modalità PassThru, quando la tensione di ingresso è all'interno della finestra programmabile dall'utente, l'ingresso viene passato direttamente all'uscita. La modalità PassThru elimina perdite di commutazione ed EMI, massimizzando l'efficienza. Per tensioni di ingresso superiori o inferiori alla finestra pass-thru, il loop di regolazione buck o boost mantiene rispettivamente l'uscita ai valori massimi o minimi impostati.

Il driver GATEVCC del LT8210 è regolato a 10,6 V per consentire l'uso di MOSFET a livello standard e può essere alimentato tramite il pin EXTVCC per migliorare l'efficienza. Il regolatore GATEVCC presenta una protezione dal back-drive, che mantiene la regolazione in caso di cali di tensione in ingresso. Aggiungendo un singolo MOSFET a canale N, è possibile ottenere una protezione opzionale contro l'inversione di tensione in ingresso fino a -40 V. L'LT8210 include anche un amplificatore di rilevamento della corrente di precisione, consentendo un monitoraggio accurato e la limitazione della corrente media di uscita o di ingresso.

LT8210 presenta modalità operative Pin-Selectable PassThru, CCM a uscita fissa, DCM, Burst® e finestra programmabile PassThru senza commutazione. Ha una modalità PassThru con IQ di 18μA con efficienza del 99,9%, gamma VIN da 2,8V a 100V (4,5V all'avvio), gamma VOUT da 1V a 100V, protezione contro l'inversione di ingresso fino a -40V, accuratezza della tensione di uscita di ±1,25% (-40°C a 125°C), monitoraggio di corrente accurato ±3%, regolazione di corrente precisa ±5%. Supporta driver di gate MOSFET quadruplicati N-channel a 10V, e EXTVCC LDO può essere alimentato da VOUT/rail di alimentazione esterni. Ha un limite di corrente dell'induttore ciclo-per-ciclo di ±20%, nessun rumore di aggiornamento del MOSFET superiore in modalità buck o boost, frequenza fissa/bloccabile in fase da 80kHz a 400kHz, adatta alla modulazione di frequenza a spettro diffuso a bassa EMI (SSFM). Dispone di monitor di tensione di uscita/potenza buona e sovracorrente, ed è disponibile in confezioni TSSOP a 38-piedini e QFN a 40-piedini (6mm x 6mm). LT8210 può essere applicato in sistemi automotive, industriali, telecomunicazioni, avionica, sistemi start-stop automotive, applicazioni di chiamate di emergenza e applicazioni conformi a ISO 7637, ISO 16750, MIL-1275, DO-160.

LT8210 offre anche diversi kit di valutazione, inclusa la scheda demo DC2814A-B, che è un convertitore DC/DC buck-boost sincrono ad alta tensione e alta efficienza con un intervallo di tensione di ingresso da 9V a 80V, in grado di fornire una corrente di carico massima di 2,5A, con un intervallo di uscita da 24V a 34V. Un altro circuito dimostrativo, il DC2814A-C, ha un intervallo di tensione di ingresso da 26V a 80V, fornendo una corrente di carico massima di 2A, con un intervallo di uscita da 36V a 56V. Inoltre, il circuito demo DC2814A-A ha un intervallo di tensione di ingresso da 8V a 80V, che può scendere fino a 3,5V dopo l'avvio del dispositivo, offrendo una corrente di carico massima di 3A, con un intervallo di uscita da 8V a 16V.

Queste schede demo incorporano tutte il controller LT8210EUJ, utilizzando un'architettura a modalità di corrente a frequenza costante che consente una frequenza bloccabile in fase fino a 400kHz, mentre i circuiti di feedback di corrente opzionali in ingresso o in uscita forniscono supporto per la ricarica delle batterie e altre applicazioni. Inoltre, ADI offre LTspice®, un potente ed efficiente software di simulazione gratuito, acquisizione schematica e visualizzatore di forme d'onda, migliorando le capacità e i modelli per migliorare la simulazione di circuiti analogici.

Conclusione

Il LT8210, un controller buck-boost DC/DC a 4 interruttori sincroni introdotto da ADI, funziona in modalità PassThru, continua forzata, a salto di impulsi e Burst®, ottimizzando significativamente l'efficienza dei dispositivi alimentati a supercondensatore. Questo controller buck-boost DC/DC, che supporta la tecnologia PassThru, migliorerà l'efficienza della batteria e prolungherà la durata dei sistemi di accumulo energetico, rendendolo un compagno ideale per applicazioni come sistemi elettronici automobilistici, industriali, di telecomunicazione e aerospaziali.