วิธีใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เดี่ยวเป็นพลังงานสำรองสำหรับแหล่งจ่ายไฟ 5 โวลต์

เมื่อจำกัดไว้เฉพาะอุปกรณ์ที่มีความสำคัญต่อภารกิจ ปัจจุบันโซลูชันพลังงานสำรองเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์ที่หลากหลายในอุตสาหกรรม เชิงพาณิชย์ และผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายสำหรับผู้บริโภค แม้ว่าจะมีทางเลือกมากมาย แต่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ก็มีโซลูชันที่มีขนาดกะทัดรัดและมีพลังงานหนาแน่นที่สุดในฐานะแหล่งกักเก็บพลังงานเมื่อแหล่งจ่ายไฟหลักถูกขัดจังหวะ ตัวอย่างเช่น เมื่อไฟเมนดับหรือเมื่อแบตเตอรี่ถูกเปลี่ยน

อย่างไรก็ตาม ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทำให้เกิดความท้าทายด้านการออกแบบ เนื่องจากอุปกรณ์แต่ละตัวสามารถจ่ายไฟได้สูงสุด 2.7 โวลต์เท่านั้น นั่นอาจหมายความว่าจำเป็นต้องใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หลายตัว แต่ละตัวมีการปรับสมดุลเซลล์ที่เกี่ยวข้องและตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบสเต็ปอัพ (บูสต์) หรือสเต็ปดาวน์ (บั๊ก) เพื่อจ่ายพลังงานควบคุมให้กับรางจ่ายไฟ 5 โวลต์ ผลที่ได้คือวงจรที่ซับซ้อนและเหมาะสมซึ่งค่อนข้างแพงและใช้พื้นที่บอร์ดมากเกินไป

บทความนี้เปรียบเทียบแบตเตอรี่กับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ และอธิบายว่าเหตุใดแบตเตอรี่รุ่นหลังจึงมีข้อได้เปรียบทางเทคนิคหลายประการสำหรับแอพพลิเคชั่นอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่มีแรงดันต่ำ จากนั้น บทความจะอธิบายถึงวิธีการออกแบบโซลูชันที่เรียบง่ายและสง่างามเพื่อจ่ายไฟให้กับราง 5 โวลต์โดยใช้ตัวเก็บประจุเพียงตัวเดียวรวมกับตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบบั๊ก/บูสต์แบบพลิกกลับได้

แบตเตอรี่ vs ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

พลังงานที่ต่อเนื่องได้กลายเป็นองค์ประกอบสำคัญของประสบการณ์ผู้ใช้ที่น่าพอใจสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ หากไม่มีแหล่งจ่ายไฟคงที่ ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ไม่เพียงหยุดทำงานเท่านั้น แต่ยังอาจสูญเสียข้อมูลที่สำคัญอีกด้วย ตัวอย่างเช่น พีซีที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟหลักจะสูญเสียข้อมูลที่เก็บไว้ใน RAM ที่ไม่แน่นอนหากเกิดไฟดับ หรือเครื่องปั๊มอินซูลินอาจสูญเสียการอ่านระดับน้ำตาลในเลือดที่สำคัญจากหน่วยความจำที่ไม่แน่นอนระหว่างการเปลี่ยนแบตเตอรี่

วิธีหนึ่งที่จะป้องกันไม่ให้สิ่งนี้เกิดขึ้นคือการรวมแบตเตอรี่สำรองที่เก็บพลังงานที่สามารถปล่อยออกมาได้หากแหล่งพลังงานหลักล้มเหลว แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาเต็มที่และมีความหนาแน่นของพลังงานที่ดีมาก ทำให้อุปกรณ์ที่มีขนาดค่อนข้างกะทัดรัดสามารถจ่ายพลังงานสำรองได้เป็นระยะเวลานาน

แต่ไม่ว่าคุณสมบัติทางเคมีพื้นฐานจะเป็นอย่างไร แบตเตอรี่ทั้งหมดมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกันซึ่งอาจเป็นปัญหาได้ในบางสถานการณ์ ตัวอย่างเช่น เซลล์เหล่านี้มีน้ำหนักค่อนข้างมาก ใช้เวลาในการชาร์จค่อนข้างนาน (ซึ่งอาจเป็นปัญหาหากไฟฟ้าดับบ่อยครั้ง) เซลล์สามารถชาร์จซ้ำได้ในจำนวนครั้งจำกัด (เพิ่มค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา) และสารเคมีที่ใช้ พวกเขาทำสามารถแนะนำความปลอดภัยและอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม

ทางเลือกอื่นสำหรับพลังงานสำรองคือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หรือที่เรียกว่าอัลตราคาปาซิเตอร์ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นที่รู้จักกันในทางเทคนิคว่าเป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้าสองชั้น (EDLC) อุปกรณ์นี้สร้างขึ้นโดยใช้อิเล็กโทรดคาร์บอนแบบสมมาตร เสถียรทางเคมีไฟฟ้า มีขั้วบวกและขั้วลบ สิ่งเหล่านี้ถูกแยกออกจากกันโดยตัวคั่นที่ไอออนซึมผ่านได้ ซึ่งสร้างไว้ในภาชนะที่บรรจุอิเล็กโทรไลต์เกลือ/ตัวทำละลายอินทรีย์ อิเล็กโทรไลต์ได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มค่าการนำไฟฟ้าและการทำให้อิเล็กโทรดเปียกสูงสุด การรวมกันของอิเล็กโทรดถ่านกัมมันต์ที่มีพื้นที่ผิวสูงกับการแยกประจุที่มีขนาดเล็กมากส่งผลให้ความจุของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สูงขึ้นมาก เมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุทั่วไป (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ใช้อิเล็กโทรดคาร์บอนบวกและลบที่สมมาตรแยกจากกันโดยตัวคั่นที่ไอออนซึมผ่านได้ซึ่งหุ้มฉนวนซึ่งแช่อยู่ในอิเล็กโทรไลต์ การรวมกันของอิเล็กโทรดที่มีพื้นที่ผิวสูงและการแยกประจุที่มีขนาดเล็กมากส่งผลให้มีความจุไฟฟ้าสูง (ที่มาของภาพ:Maxwell Technologies)

ประจุจะถูกจัดเก็บด้วยวิธีไฟฟ้าสถิตโดยการดูดซับอิเล็กโทรไลต์แบบพลิกกลับได้บนอิเล็กโทรดคาร์บอนที่มีพื้นผิวขนาดใหญ่ การแยกประจุเกิดขึ้นบนโพลาไรเซชันที่ส่วนติดต่อของอิเล็กโทรด/อิเล็กโทรไลต์ ทำให้เกิดสองชั้นที่มีชื่อเดียวกัน กลไกนี้สามารถย้อนกลับได้สูง ทำให้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถชาร์จและคายประจุได้หลายแสนครั้ง แม้ว่าความจุจะลดลงบ้างเมื่อเวลาผ่านไป

เนื่องจากการพึ่งพากลไกไฟฟ้าสถิตในการเก็บพลังงาน ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จึงคาดเดาได้มากกว่าแบตเตอรี่ และวัสดุก่อสร้างทำให้มีความน่าเชื่อถือมากขึ้นและมีความเสี่ยงต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิน้อยลง ในด้านความปลอดภัย ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีวัสดุที่ระเหยได้น้อยกว่าแบตเตอรี่และสามารถคายประจุได้เต็มที่เพื่อการขนส่งที่ปลอดภัย

ข้อได้เปรียบอีกประการหนึ่งคือ เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่สำรองแล้ว ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะชาร์จได้เร็วกว่ามาก ดังนั้นหากเกิดไฟฟ้าดับอีกครั้งในไม่ช้าหลังจากเกิดความล้มเหลวครั้งแรก พลังงานสำรองก็พร้อมใช้งาน และไม่สามารถชาร์จเกินได้ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังสามารถทนต่อรอบการชาร์จที่มากขึ้น ลดต้นทุนการบำรุงรักษา

ยิ่งไปกว่านั้น ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังมีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่ามาก (เป็นการวัดปริมาณพลังงานที่สามารถจัดเก็บหรือส่งได้ในหน่วยเวลา) มากกว่าแบตเตอรี่ ซึ่งไม่เพียงรับประกันการชาร์จที่รวดเร็วเท่านั้น แต่ยังช่วยให้สามารถจ่ายกระแสไฟสูงได้หากจำเป็น ทำให้สามารถใช้เป็นพลังงานสำรองในแอพพลิเคชั่นต่างๆ ได้มากขึ้น (รูปที่ 2) ยิ่งไปกว่านั้น ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังมีความต้านทานอนุกรมที่มีประสิทธิภาพ (ESR) ต่ำกว่าแบตเตอรี่มาก สิ่งนี้ทำให้สามารถจ่ายพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยไม่มีอันตรายจากความร้อนสูงเกินไป ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มากกว่า 98% เป็นเรื่องปกติ

รูปที่ 2: แบตเตอรี่แบบชาร์จใหม่ได้สามารถจ่ายไฟได้เป็นเวลานานโดยใช้กระแสไฟปานกลาง แต่ใช้เวลาในการชาร์จนาน ในทางตรงกันข้าม ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ (หรืออัลตร้าคาปาซิเตอร์) จะคายประจุอย่างรวดเร็วด้วยกระแสไฟฟ้าที่สูง แต่ยังชาร์จอย่างรวดเร็วอีกด้วย (แหล่งรูปภาพ: Maxwell Technologies)

ข้อเสียที่สำคัญของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์คือความหนาแน่นของพลังงานที่ค่อนข้างต่ำ (การวัดปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ต่อหน่วยปริมาตร) เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ เทคโนโลยีในปัจจุบันช่วยให้แบตเตอรี่ Li-ion เก็บพลังงานได้ 20 เท่าเมื่อเทียบกับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีปริมาตรเท่ากัน ช่องว่างกำลังปิดลงเนื่องจากวัสดุใหม่ ๆ พัฒนาขึ้นสำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ แต่มีแนวโน้มที่จะยังคงมีความสำคัญต่อไปอีกหลายปี ข้อเสียอีกประการหนึ่งของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์คือค่าใช้จ่ายที่ค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ Li-ion

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบสำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

หากผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ต้องพึ่งพาซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สำหรับพลังงานสำรอง สิ่งสำคัญคือผู้ออกแบบต้องเข้าใจวิธีเลือกส่วนประกอบที่ดีที่สุดสำหรับการจัดเก็บและจัดส่งพลังงานที่เชื่อถือได้ ตลอดจนอายุการใช้งานที่ยาวนาน

สิ่งแรกที่ต้องตรวจสอบบนแผ่นข้อมูลคือผลกระทบของอุณหภูมิต่อความจุและความต้านทาน เป็นแนวปฏิบัติที่ดีในการออกแบบที่จะเลือกอุปกรณ์ที่แสดงการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ต้องการของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เช่น หากจำเป็นต้องใช้พลังงานสำรอง แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้จะเสถียร และจ่ายพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อายุการใช้งานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ส่วนใหญ่จะพิจารณาจากผลรวมของแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิในการทำงาน (รูปที่ 3) ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มักจะล้มเหลวอย่างย่อยยับ ความจุและความต้านทานภายในจะเปลี่ยนไปตามกาลเวลา และค่อยๆ ลดประสิทธิภาพลงจนกระทั่งส่วนประกอบไม่เป็นไปตามข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอีกต่อไป โดยทั่วไปการลดลงของประสิทธิภาพจะมากขึ้นในช่วงเริ่มต้นของอายุขัยของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย และจะสิ้นสุดลงตามอายุของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

รูปที่ 3: อุณหภูมิที่สูงขึ้นและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้อาจทำให้อายุการใช้งานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สั้นลง (แหล่งรูปภาพ: Elcap, CC0, ผ่าน Wikimedia Commons, แก้ไขโดยผู้แต่ง)

เมื่อใช้ในการใช้งานด้านพลังงานสำรอง ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะถูกรักษาไว้ที่แรงดันใช้งานเป็นระยะเวลานาน มีเพียงบางครั้งเท่านั้นที่จะถูกเรียกให้ปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ สิ่งนี้จะส่งผลต่อประสิทธิภาพในที่สุด แผ่นข้อมูลจะระบุการลดลงของความจุเมื่อเวลาผ่านไปสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานทั่วไปและที่อุณหภูมิต่างกัน ตัวอย่างเช่น ความจุไฟฟ้าลดลง 15% และความต้านทานภายในเพิ่มขึ้น 40% อาจเกิดขึ้นได้สำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ 2.5 โวลต์เป็นเวลา 88,000 ชั่วโมง (10 ปี) ที่อุณหภูมิ 25˚C ควรพิจารณาการลดลงของประสิทธิภาพดังกล่าวเมื่อออกแบบอุปกรณ์สำรองสำหรับผลิตภัณฑ์ปลายทางที่มีอายุการใช้งานยาวนาน

เวลาคงที่สำหรับตัวเก็บประจุคือเวลาที่อุปกรณ์ไปถึง 63.2% ของประจุเต็มหรือคายประจุเป็น 36.8% ของประจุเต็ม ค่าคงที่เวลาของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์อยู่ที่ประมาณหนึ่งวินาที ซึ่งสั้นกว่าตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามาก เนื่องจากค่าคงที่ของเวลาที่สั้นนี้ ผู้ออกแบบควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์พลังงานสำรองไม่ได้สัมผัสกับกระแสกระเพื่อมอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากอาจเกิดความเสียหายได้

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถทำงานได้ระหว่าง 0 โวลต์และพิกัดความจุสูงสุด ในขณะที่การใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และการเก็บพลังงานทำได้เมื่อใช้งานในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กว้างที่สุด ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่มีเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำ ข้อกำหนดด้านแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำนี้จำกัดปริมาณพลังงานที่สามารถดึงออกมาจากตัวเก็บประจุ

ตัวอย่างเช่น พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุคือ E = ½CV² จากความสัมพันธ์นี้ สามารถคำนวณได้ว่าประมาณ 75% ของพลังงานที่มีอยู่สามารถเข้าถึงได้หากระบบทำงานที่แรงดันไฟฟ้าครึ่งหนึ่งของตัวเก็บประจุ (เช่น จาก 2.7 ถึง 1.35 โวลต์)

ความท้าทายในการออกแบบเมื่อใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หลายตัว

ในขณะที่ข้อดีของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทำให้เหมาะสำหรับการจ่ายพลังงานสำรองให้กับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์หลากหลายประเภท ผู้ออกแบบต้องระวังความท้าทายในการออกแบบที่พวกเขาแนะนำ การติดตั้งวงจรแหล่งจ่ายไฟสำรองอาจเป็นงานที่สำคัญสำหรับวิศวกรที่ไม่มีประสบการณ์ ความซับซ้อนที่สำคัญคือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เชิงพาณิชย์มีค่าประมาณ 2.7 โวลต์ ดังนั้นในการจัดหารางจ่ายไฟ 5 โวลต์ทั่วไป จึงต้องใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สองตัวต่ออนุกรมกัน (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เชิงพาณิชย์มีพิกัดประมาณ 2.7 โวลต์ ดังนั้นในการจัดหารางจ่ายไฟ 5 โวลต์ทั่วไป จึงต้องใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สองตัวต่ออนุกรมกัน ทำให้ขั้นตอนการออกแบบยุ่งยาก (แหล่งที่มาภาพ: Maxim Integrated)

แม้ว่านี่จะเป็นโซลูชันการทำงานที่น่าพอใจ แต่ก็มีค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนเพิ่มเติมเนื่องจากความจำเป็นในการปรับสมดุลเซลล์แบบแอคทีฟหรือแบบพาสซีฟ เนื่องจากค่าความคลาดเคลื่อนของความจุไฟฟ้า กระแสไฟรั่วที่แตกต่างกัน และ ESR ที่แตกต่างกัน แรงดันไฟฟ้าระหว่างตัวเก็บประจุสองตัวหรือมากกว่าที่มีชื่อเหมือนกันและมีประจุเต็มอาจแตกต่างกันได้ ความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้านี้ส่งผลให้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หนึ่งตัวในวงจรสำรองจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่มากกว่าตัวอื่น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นและ/หรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีอายุมากขึ้น ความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้านี้สามารถเพิ่มขึ้นจนถึงจุดที่แรงดันไฟฟ้าทั่วซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หนึ่งตัวเกินเกณฑ์พิกัดของอุปกรณ์นั้นและส่งผลกระทบต่ออายุการใช้งาน

การปรับสมดุลเซลล์ในการใช้งานรอบต่ำมักทำได้โดยการวางตัวต้านทานแบบบายพาสขนานกับแต่ละเซลล์ ค่าของตัวต้านทานถูกเลือกให้เป็นค่าที่อนุญาตให้กระแสใด ๆ ครอบงำกระแสการรั่วไหลของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทั้งหมด เทคนิคนี้ทำให้แน่ใจได้อย่างมีประสิทธิภาพว่าการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในความต้านทานแบบขนานที่เท่ากันระหว่างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นไม่มีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น หากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในวงจรสำรองมีกระแสไฟรั่วเฉลี่ย 10 ไมโครแอมป์ (μA) ตัวต้านทาน 1% จะยอมให้กระแสบายพาสอยู่ที่ 100 μA ซึ่งจะเพิ่มกระแสไฟรั่วเฉลี่ยเป็น 110 μA ในการทำเช่นนั้น ตัวต้านทานจะลดความแปรผันของกระแสไฟรั่วระหว่างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพจากหลายสิบเปอร์เซ็นต์เหลือเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์

เมื่อค่าความต้านทานแบบขนานทั้งหมดเข้ากันได้ดี ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าจะคายประจุผ่านความต้านทานแบบขนานในอัตราที่สูงกว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า สิ่งนี้จะกระจายแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดเท่า ๆ กันทั่วทั้งชุดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ สำหรับการใช้งานในระดับสูง จำเป็นต้องมีการปรับสมดุลซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ซับซ้อนมากขึ้น

ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ตัวเดียวสำหรับแหล่งจ่ายไฟ 5 โวลต์

วงจรแหล่งจ่ายไฟสำรองอาจซับซ้อนน้อยลงและใช้พื้นที่น้อยลงหากใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ตัวเดียวแทนที่จะเป็นสองตัวหรือมากกว่า การจัดเรียงดังกล่าวช่วยลดความจำเป็นในการปรับสมดุลซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ อย่างไรก็ตาม เอาต์พุต 2.7 โวลต์จากอุปกรณ์เดียวจำเป็นต้องเพิ่มขึ้นโดยใช้ตัวควบคุมแรงดันบูสต์ สร้างแรงดันไฟฟ้าที่เพียงพอเพื่อเอาชนะแรงดันตกคร่อมไดโอดและจ่าย 5 โวลต์ให้กับระบบ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ถูกชาร์จโดยอุปกรณ์ชาร์จและปล่อยผ่านบูสต์คอนเวอร์เตอร์เมื่อจำเป็น ไดโอดช่วยให้แหล่งพลังงานหลักหรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จ่ายไฟให้กับระบบ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ตัวเดียวในวงจรสำรองไฟฟ้าช่วยลดความจำเป็นในการปรับสมดุลของเซลล์ แต่ต้องใช้ตัวควบคุมแบบสเต็ปอัพเพื่อเพิ่มแรงดันเอาท์พุตของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ (แหล่งที่มาภาพ: Maxim Integrated)

วิธีแก้ปัญหาที่สวยงามกว่านั้นคือการใช้ตัวเก็บประจุตัวเดียวเสริมด้วยตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบพิเศษ เช่น MAX38888 หรือ MAX38889 จาก Maxim Integrated ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าบูสท์แบบพลิกกลับได้ ตัวแรกมีเอาต์พุต 2.5 โวลต์ถึง 5 โวลต์และสูงสุด 2.5 แอมแปร์ (A) ในขณะที่ตัวหลังเป็นอุปกรณ์เอาต์พุต 2.5 โวลต์ถึง 5.5 โวลต์ 3 A (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: เมื่อใช้ในวงจรสำรองพลังงานซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ MAX38889 (หรือ MAX38888) เรกูเลเตอร์แบบพลิกกลับได้จะขจัดความจำเป็นในการแยกอุปกรณ์ชาร์จและอุปกรณ์บูสต์และไดโอด (แหล่งที่มาภาพ: Maxim Integrated)

MAX38889 เป็นตัวเก็บประจุแบบยืดหยุ่นหรือตัวควบคุมสำรองของตัวเก็บประจุสำหรับการถ่ายโอนพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพระหว่างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และรางจ่ายระบบ เมื่อมีแหล่งจ่ายไฟหลักและแรงดันไฟฟ้าอยู่เหนือเกณฑ์ขั้นต่ำของระบบ ตัวควบคุมจะทำงานในโหมดการชาร์จและชาร์จซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วยค่าสูงสุดสูงสุด 3 A, กระแสเหนี่ยวนำเฉลี่ย 1.5 A ต้องชาร์จซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จนเต็มเพื่อเปิดใช้งานการสำรองข้อมูล เมื่อชาร์จซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แล้ว วงจรจะดึงกระแสเพียง 4 μA ในขณะที่ส่วนประกอบยังคงอยู่ในสภาพพร้อมใช้งาน

เมื่อถอดแหล่งจ่ายหลักออกแล้ว เรกูเลเตอร์จะป้องกันไม่ให้ระบบลดลงต่ำกว่าแรงดันใช้งานสำรองของระบบที่ตั้งไว้โดยการเพิ่มแรงดันซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ให้เป็นแรงดันของระบบที่ต้องการที่กระแสพีคของตัวเหนี่ยวนำที่ตั้งโปรแกรมไว้ สูงสุด 3 A เรกูเลเตอร์แบบพลิกกลับได้ ทำงานด้วยแรงดันซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เพียง 0.5 โวลต์ ทำให้ใช้พลังงานที่เก็บไว้ได้สูงสุด

ระยะเวลาของการสำรองข้อมูลขึ้นอยู่กับพลังงานสำรองของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และการดึงพลังงานของระบบ คุณลักษณะของผลิตภัณฑ์ Maxim Integrated ช่วยให้สามารถสำรองไฟได้สูงสุดจากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ 2.7 โวลต์ตัวเดียว ในขณะที่ลดจำนวนส่วนประกอบของวงจรโดยขจัดความจำเป็นในการแยกอุปกรณ์ชาร์จและอุปกรณ์บูสต์ และไดโอด

สรุป

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีข้อดีหลายประการเหนือแบตเตอรี่สำรองสำหรับพลังงานสำรองในการใช้งานเฉพาะ เช่น ที่ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่บ่อย เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะชาร์จได้เร็วกว่า สามารถหมุนเวียนได้หลายครั้ง และให้ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่ามาก อย่างไรก็ตาม เอาต์พุตสูงสุด 2.7 โวลต์ทำให้เกิดความท้าทายในการออกแบบเมื่อต้องการสำรองข้อมูลแหล่งจ่ายไฟ 5 โวลต์ทั่วไป

ดังที่แสดงไว้ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบ step-down/step-up ที่พลิกกลับได้นำเสนอโซลูชันที่สวยงามโดยให้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ตัวเดียวสำรองสายไฟ 5 โวลต์ในขณะที่ลดพื้นที่และจำนวนส่วนประกอบที่จำเป็นให้เหลือน้อยที่สุด