可用于在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的欠壓和短期斷電期間超級電容

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 網(wǎng)絡(luò)使用與居民使用相同的市電電網(wǎng)供電時，它們會受到功率波動、欠壓的影響，甚至完全失去電力達(dá)幾十秒。無狀態(tài)節(jié)點(diǎn)可以在上電時恢復(fù)運(yùn)行；但是，必須長期保持狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)會在上電時重置，這可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障、延遲或性能損失。

備用電池是一種避免重置的方式，但它們的壽命有限，而且在設(shè)備的生命周期內(nèi)可能會變得更昂貴。替代方法是，可以使用超級電容器——額定值為1法拉（F）或更高的極化電解電容器。

本文討論了確保運(yùn)行關(guān)鍵過程的物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備保持供電的重要性。然后，本文通過兩款示例器件展示了如何運(yùn)用超級電容器來提供欠壓和斷電保護(hù)，這兩款器件分別來自AVX Corporation和Illinois Capacitor。

將物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)置于市電電網(wǎng)中的問題

運(yùn)行關(guān)鍵過程的工業(yè)設(shè)施通常會配備備用發(fā)電機(jī)，以備供電公司臨時停電時使用。除了長期停電的極端情況外，冗余和多臺發(fā)電機(jī)可確保持續(xù)維持供電。工廠甚至可能有自己的主電網(wǎng)專用電力線，以確保電力的持續(xù)供應(yīng)，這也可能會為電網(wǎng)其余部分的停電提供一定的抵抗力。

許多小型或非關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)使用居民市電電網(wǎng)進(jìn)行供電，而所在區(qū)域并沒有任何昂貴的備用電池系統(tǒng)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，欠壓或瞬時斷電可能會重置系統(tǒng)、關(guān)閉機(jī)器，并導(dǎo)致數(shù)據(jù)和性能損失。

目前有幾種可選擇的方案可以防止這種數(shù)據(jù)損失。以汽油或天然氣為燃料的備用發(fā)電機(jī)可以長期供電，但材料和安裝成本高昂。此外，備用發(fā)電機(jī)還需要定期維護(hù)和測試。這種增加的成本和人工很快就會使物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不再具有成本效益，以至于無法實(shí)現(xiàn)其初衷。

另一種選擇是備用電池組。這些電池組使用鉛酸電池，是一種短時間內(nèi)提供備用電源的可靠方式。不過，這些都需要定期檢查和測試。此外，鉛酸電池的生命周期有限，因此需要定期更換，增加了成本和人工。令維護(hù)工作更加復(fù)雜的是，備用電池組中的鉛酸電池有時會突然出現(xiàn)故障，可能在停電期間啟動后不久就會失效。

備用發(fā)電機(jī)和備用電池組都非常笨重，需要額外的空間。對于緊湊型物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來說，實(shí)現(xiàn)這些解決方案可能不切實(shí)際，甚至無法實(shí)現(xiàn)。

一種常見的選擇是在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上安置小型備用電池。與發(fā)電機(jī)和備用電池組相比，這是一種廉價的選擇。鋰離子 （Li-Ion） 電池占用的空間很小，需要的維護(hù)也有限。然而，鋰離子電池的循環(huán)時間有限，通常低至500次充放電循環(huán)，因此需要定期更換。此外，鋰離子電池的工作溫度也非常有限。凍結(jié)溫度會降低鋰離子電池的容量，導(dǎo)致永久性損壞，而高溫會逐漸損壞電池，導(dǎo)致熱擊穿。

作為替代，一種簡單且具有成本效益的方法可在欠壓或短期斷電時提供瞬時臨時電源，即在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中放置超級電容器。

超級電容器的特性和功能

超級電容器是額定值為1F或以上的極化電解電容器。作為電容器，它們可以在幾秒鐘內(nèi)充放電，因此可以發(fā)揮與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的短期充電電池一樣的作用。利用恒流放電，超級電容器端子上的電壓將隨時間線性下降。

超級電容器的循環(huán)時間幾乎是無限的，超過一百萬次，從而允許它們不斷地充電和放電，而不會影響容量或壽命。與化學(xué)電池不同，超級電容器的循環(huán)充電對電容器電介質(zhì)或電極的影響極小。超級電容器相對不受高溫和低溫的影響，可以在鋰離子電池?zé)o法承受的極端溫度下安全工作。

超級電容器的充電很簡單，不需要復(fù)雜的電路來維持充電狀態(tài)，因?yàn)殡娙萜鞑粫^量充電。但是，在極化端子上施加反向電壓或?qū)Τ夒娙萜魇┘痈哂陬~定最大值的電壓，都會縮短其壽命。

選擇超級電容器需要進(jìn)行一系列權(quán)衡。當(dāng)然，在同等條件下，容量越大，供電時間越長。然而，這種容量的增加不僅會帶來成本的增加，而且還會大幅增加尺寸：超級電容器是體積龐大的元器件，在印刷電路板的布局中必須考慮長度和直徑，尤其是在以后必須為更大的超級電容器留出空間的情況。

對于某些應(yīng)用來說，印刷電路板尺寸的增加可能是不可接受的，這限制了超級電容器的容量。此外，較大的超級電容器還可能干擾物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)周圍的氣流，從而阻礙散熱。在設(shè)計用于欠壓或掉電保護(hù)的超級電容器時，這些都是重要的考慮因素。

超級電容器放電時間

公式1可用于計算超級電容器的估計放電時間，從而很好地估算它在斷電時可驅(qū)動電路的時長。

公式 1

其中：

tseconds = 超級電容器可為電路提供足夠電力的時間，以秒為單位

CFarads = 電容，以法拉為單位

Vmax = 初始放電時電容器兩端的電壓

Vmin = 電容器在無法為電路供電之前可以放電的最小電壓

Imax = 電路的最大（最差情況）電流消耗，以安培為單位

與所有電容器一樣，超級電容器也具有等效串聯(lián)電阻 （ESR）。但是，ESR會因溫度、電容器電壓和電流消耗而異。電容器值超過1法拉時，ESR小于10毫歐 （mΩ），這使得ESR對放電時間的影響極小。

為了有效地應(yīng)用于欠壓保護(hù)，工程師需要為給定應(yīng)用選擇一款能夠滿足公式1的超級電容器。開發(fā)人員還應(yīng)在模擬欠壓和斷電條件下測試自己的系統(tǒng)，以觀察使用所選電路板元器件時的實(shí)際運(yùn)行情況。由于電容器最初可能會充電至高于電路所需工作電壓的電壓，因此建議使用低壓差穩(wěn)壓器 （LDO） 來管理電容器電壓輸出。

簡單的欠壓和掉電保護(hù)

對于僅持續(xù)幾秒的簡單欠壓保護(hù)（電線功率下降的情況），或者持續(xù)不到一分鐘的掉電保護(hù)，較小的超級電容器就可以使小型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)保持工作。例如，AVX Corporation的SCMR22L105SRBB0 1.0F是一款厚8毫米 （mm），寬22mm的超級電容器（圖1）。該產(chǎn)品適用于惡劣的環(huán)境，工作溫度范圍為-40°C至+65°C，而這些溫度不適合任何鋰離子電池。徑向引線可用于垂直安裝，有助于節(jié)省印刷電路板上的空間。

SCMR22L105SRBB0上的ESR僅為840mΩ，確保放電期間的功耗極低。最大充電電壓為 9V。

使用公式1，可以計算出對消耗80毫安 （mA） 電流的簡單物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的放電時間。對于一個3.3V系統(tǒng)，其中使用提供9V電壓的通用交流適配器將電容器充電至最大電壓，并使用理想的低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器，那么該1.0F電容器在最佳條件下可供電71秒。SCMR22L105SRBB0在額定溫度和電壓范圍內(nèi)的電容容差為±30%，因此在電容為0.70F的最差情況下，估計可提供80mA的電流50秒。這會因各個電容器的制造公差而異，因此最好按最差的情況進(jìn)行設(shè)計。

在本例中，SCMR22L105SRBB0的最差供電時間為50秒，足以應(yīng)對欠壓情況下的功率下降。

在布局超級電容器時，應(yīng)按電源走線那樣布置引線，以最大限度地減少電磁干擾 （EMI）。此外，超級電容器的絕緣套管不應(yīng)與印刷電路板或任何其他元器件接觸。如果套管因極端的焊接溫度或外力受損，超級電容器的金屬殼可能會短路，從而導(dǎo)致電路故障。

針對更高容量的應(yīng)用，Illinois Capacitor推出了DSF407Q3R0 400F超級電容器，額定電壓為3.0V（圖2）。該電容器的直徑為35mm，長度為60mm，尺寸遠(yuǎn)大于前面提到的器件。由于在400F超級電容器上施加反極性可能會損壞元件，因此DSF407Q3R0帶有兩個非連接鍵控引腳，以防止組裝出錯。

雖然在公式1中3V的額定電壓似乎并不令人印象深刻，但400F的額定電容提供了充足的容量。電容容差為±30%，因此最差情況下的額定電容為280F。對于消耗350mA的2.7V系統(tǒng)，根據(jù)公式1，將電容器充電至3.0V額定電壓，在400F下可提供343秒的典型備用電源，在280F的最差情況下可提供240秒。這里是假設(shè)使用了理想LDO的情況，因此必須進(jìn)行在線測試，以了解超級電容器在模擬欠壓和斷電條件下的表現(xiàn)。

400F電容器可能會發(fā)熱，需要與其他元器件保持適當(dāng)距離，這一點(diǎn)很重要。該電容器的頂部有通風(fēng)口，因此上方必須留有足夠的散熱空間。

結(jié)語

超級電容器可用于在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的欠壓和短期斷電期間提供備用電源。與鋰離子電池相比，超級電容器具有明顯的優(yōu)勢，包括幾乎不受限制的充放電循環(huán)、出色的高壓性能，以及高效率和高可靠性。在由交流市電供電的物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中正確使用超級電容器，可以降低維護(hù)和系統(tǒng)成本，同時提高整個網(wǎng)絡(luò)的性能。

編輯：jq