使用超級電容為 IoT 節點提供暫時低壓保護

物聯網 (IoT) 或工業物聯網 (IIoT) 的網路與住宅電力客戶置於同一主電網上時，可能會導致功率浮動、暫時低壓，甚或完全喪失電力數十秒。無狀態節點可在電力啟動時恢復運作，但必須長時間維持狀態的節點會在電力啟動時重置，這可能導致網路故障、延遲或效能下降。

使用備用電池是避免重置的方法之一，但此類電池的壽命有限，且可能在整個裝置的使用壽命內更加昂貴。替代方案是使用超級電容，這是一種額定值達 1 F 或更高的極化電解電容。

本文將探討有關確保執行關鍵過程的 IoT 和 IIoT 裝置持續供電的重要性，然後展示如何使用來自 AVX Corporation 和 Illinois Capacitor 的兩個範例裝置，應用超級電容來提供暫時低壓和掉電防護。

將 IoT 節點置於住宅主電網的問題

為防電力公司暫時停電，執行關鍵過程的工業設施往往都有備用發電機。若非遭遇停電過久的極端情況，備援和多台發電機足可確保一直維持電力。工廠甚至可能會從主電網建立自己專屬的電源線，以確保持續供電，而這也可在電網的其他部分停電時提供一些防禦。

許多小型或非關鍵的 IoT 節點，採用住家使用的同一住宅電網進行供電，而住家所在區域並沒有任何昂貴的備用電池系統。視電網的設計而定，暫時低壓或瞬時斷電可能會重置系統、關閉機器，並導致資料遺失和效能損失。

要避免資料遺失，目前有幾種選擇。以汽油或天然氣做為動力來源的備用發電機可長時間供電，但材料和安裝成本很高。此外，備用發電機還需要定期維護及測試。增加的成本和勞力，不久後可能會使 IoT 網路失去成本效益，而無法實現其初衷。

另一個選擇是備用電池單元。這些產品使用鉛酸電池，是一種短時間提供備用電力的可靠方式。不過，這些產品需要定期檢查和測試。此外，鉛酸電池的生命週期有限，因此需要定期更換，增加了成本與勞力。備用電池單元中的鉛酸電池有時會出其不意地發生故障，它們可能會在斷電啟用後不久失效，讓維護作業變得更為複雜。

備用發電機和備用電池單元都很龐大，並且需要額外的空間。對於緊湊的 IoT 網路，實作這些解決方案可能不切實際或不可能辦到。

一個常見的選擇是在 IoT 節點上安放小型備用電池。相較於發電機和備用電池單元，這是個很經濟的做法。鋰離子電池佔用空間小，且不太需要維護。但是，鋰離子電池的循環次數有限，通常低至 500 次充／放電循環，因此需要定期更換。此外，鋰電池的工作溫度也非常受限。凍結溫度會減少鋰電池的蓄電量，導致永久損害，而高溫則會逐漸損害電池，導致熱失控。

在 IoT 節點中放置超級電容，則是一種簡單且經濟高效的方法，能在暫時低壓或短期斷電期間提供即時短暫供電。

超級電容的特性與功能

超級電容是額定值為 1 F 或更高的極化電解電容。作為電容，超級電容能在幾秒內充電與放電，因此可用作 IoT 節點的短期充電式電池。透過恆定電流放電，超級電容端子兩端的電壓會隨時間線性下降。

超級電容具有幾乎無限的循環次數 (超過一百萬次)，因此能一直充電及放電，且不會對蓄電量或壽命造成影響。不同於化學電池，超級電容的循環充電對電容介電質或電子的影響微乎其微。相對而言，超級電容不受高溫和低溫影響，可在會損壞鋰電池的極端溫度下安全地運作。

超級電容的充電非常簡單，並且不需要複雜的電路來維持充電狀態，這是因為電容不會過度充電。不過，如果對極化的端子施加逆向電壓，或對超級電容施加高於額定最大值的電壓，可能會縮短超級電容的壽命。

選擇超級電容時需要做出許多取捨。當然，在同等條件下，蓄電量越大，供電時間就越長。然而，蓄電量的提高，不只會增加成本，尺寸也會大幅增加：超級電容很龐大，長度與直徑是 PC 板佈局中的重要考慮因素，特別是在以後須為更大的超級電容留出空間時。

對某些應用來說，增加電路板尺寸可能無法接受，這限制了超級電容的蓄電量。而較大的超級電容還可能會干擾 IoT 節點周圍的氣流，從而妨礙散熱。在針對暫時低壓或掉電保護來設計超級電容時，這些都是重要的考量因素。

超級電容放電時間

方程式 1 可用來計算超級電容的估計放電時間，能夠很好地估算出超級電容在發生斷電時驅動電路的時間長度。

方程式 1

其中：

t_seconds = 超級電容能為電路供應充足電力的時間，單位為秒

C_Farads = 電容量，單位為法拉

V_max = 初始放電時電容兩端的電壓

V_min = 電容在不足以為電路供電前的最低放電電壓

I_max = 電路的最大 (最壞情況) 電流消耗量，單位為安培

與所有電容一樣，超級電容具有等效串聯電阻 (ESR)。但是，ESR 會因溫度、電容電壓和電流消耗量而異。當電容值超過 1 法拉時，ESR 小於 10 mΩ，這可將 ESR 對放電時間的影響降到最低。

若想有效用於暫時低壓保護，工程師需要為特定應用選擇一個超級電容，使其能夠滿足方程式 1。此外，開發人員還應使用選定的板組件，在模擬的暫時低壓和斷電狀況下測試自己的系統，以觀察實際的運作情況。由於電容一開始可能會充電至比電路必要工作電壓更高的電壓，建議使用低壓降穩壓器 (LDO) 來管理電容電壓輸出。

簡易的暫時低壓與掉電保護

對於在電力線功率下降時僅維持幾秒的簡易暫時低壓保護，或持續時間不到一分鐘的掉電保護而言，小型超級電容便可維持小型 IoT 節點的運作。例如，AVX Corporation 的 SCMR22L105SRBB0 1.0 F 超級電容，其厚度為 8 mm，寬度為 22 mm (圖 1)。此產品適用於嚴苛的環境，工作溫度範圍為 -40°C 至 +65°C，而任何鋰電池都無法適應這些溫度。徑向引線可用於垂直安裝，有助於節省 PC 板的空間。

圖 1：SCMR22L105SRBB0 是一款尺寸為 8 mm x 22 mm 的徑向引線超級電容。(圖片來源：AVX Corporation)

SCMR22L105SRBB0 上的 ESR 只有 840 mΩ，可確保放電期間達到極低的功率損耗。此產品的最大充電電壓為 9 V。

使用方程式 1，可針對耗用 80 mA 電流的簡易 IoT 節點計算放電時間。對於一個 3.3 V 系統，其中使用供應 9 V 電壓的通用 AC 配接器將電容充電到最大電壓，並使用理想的低壓降 (LDO) 穩壓器，則此 1.0 F 電容在最佳條件下可供電 71 秒。SCMR22L105SRBB0 在額定溫度與電壓下的電容量容差為 ±30%，因此在電容量最糟為 0.70 F 的情況下，預計可供應 80 mA 達 50 秒。這會因個別電容的製造容差而異，因此最好是針對最糟的情況來設計。

在此例中，SCMR22L105SRBB0 最糟的供電時長為 50 秒，因此處理暫時低壓時的掉電情況綽綽有餘。

佈置超級電容時，引線應按電源走線那樣佈置，以將電磁干擾 (EMI) 降到最低。此外，超級電容的絕緣套管不該接觸 PC 板或任何其他元件。如果套管因極端焊接溫度或外力而受損，超級電容的金屬殼可能會短路，造成電路故障。

對於更高蓄電量的應用，Illinois Capacitor 推出了 DSF407Q3R0 400 F 超級電容，額定電壓為 3.0 V (圖 2)。此元件的直徑為 35 mm，長度為 60 mm，比前述元件大上許多。由於在 400 F 超級電容上施加反轉極性可能會毀掉元件，DSF407Q3R0 設有兩個無連接鍵式銷，以免組裝時出錯。

圖 2：Illinois Capacitor 的 400 F 超級電容，其直徑為 35 mm，長度為 60 mm，需要額外的電路板空間。此元件有兩個鍵式銷，可避免組裝時反轉極性。(圖片來源：Illinois Capacitor)

在方程式 1 中，3 V 額定值似乎並不吸引人，但 400 F 額定值可提供足夠的蓄電量。其電容量容差為 ±30%，因此額定值最糟為 280 F。對於耗用 350 mA 電流的 2.7 V 系統，按照方程式 1，將電容充電至 3.0 V 額定值時，可在 400 F 下達到 343 秒的典型備用功率，在 280 F 的最糟情況下達到 240 秒。由於這裡假設具有理想的 LDO，因此務必要執行電路內測試，查看超級電容在模擬的暫時低壓和掉電狀況下的效能。

400 F 電容可能會變得很燙，需要與其他元件保持適當距離，這一點非常重要。此電容頂部有通風孔，因此必須在上方留出適當的空間進行散熱。

結論

超級電容可用於在 IoT 和 IIoT 節點發生暫時低壓和短期掉電時提供備用電源。相比鋰電池，超級電容具有顯著的優點，包括充放電循環次數幾乎不受限制、高電壓效能出色，效率和可靠性較高等。在由住宅 AC 主電源供電的 IoT 與 IIoT 節點中正確使用超級電容，可以減少維護和系統成本，同時提高整個網路的效能。