Design en enkel og kompakt UPS baseret på en superkondensator

En kontinuerlig strømforsyning (UPS) er afgørende for applikationer som databeskyttelse i RAID-lagring (redundant array of independent disks), automotive telemetri til sikkerhedsopgaver og enheder til dosering af medicin som insulinpumper i sundhedssektoren.

Men det kan være en udfordring at designe en UPS, især hvis pladsen er trang. Desuden kræves der omhyggeligt design til de mange applikationer, der ikke kan tolerere energistrømme fra lagringssystemet tilbage til strømforsyningen.

Disse designudfordringer kan lettes ved at overveje en integreret tilgang, hvor flere omformere og opladningskredsløb erstattes med en enkelt komponent. Denne integrerede tilgang forenkler kredsløbsdesignet og gør det lettere at sikre, at der ikke løber strøm tilbage til strømforsyningen under backup-drift.

Denne artikel skitserer UPS-designudfordringer og præsenterer en konventionel løsning. Artiklen introducerer derefter et forenklet, integreret alternativ baseret på en buck/boost switch-regulator fra Analog Devices.

Brug af en superkondensator som energireservoir

Figur 1 viser en konventionel tilgang til et UPS-design. UPS'en forsyner en 24 volt DC (V_DC)-sensor i dette eksempel. Sensorkredsløbet kræver et input på 3,3 og 5 volt. UPS'en bruger en lineær regulator til at oplade en superkondensator, når systemspændingen er tilgængelig. Hvis systemspændingen falder, boostes energien i kondensatoren til det nødvendige forsyningsspændingsniveau med en step-up-regulator.

Figur 1: Denne UPS oplader en superkondensator, mens systemspændingen er normal, og trækker på energien, når systemspændingen falder. (Billedkilde: Analog Devices)

Hvis 24 volt-forsyningen også bruges til at drive andre kredsløbselementer end sensorerne, skal superkondensatoren indbygges, så den kun driver sensorkredsløbet og ikke den øvrige elektronik, der er forbundet med 24 volt-ledningen. Dioden "D" forhindrer, at dette sker, når kredsløbet er i backup-tilstand.

Dette system fungerer godt, men kan være svært at implementere, fordi det bruger flere spændingsomformere. Det kan også være en udfordring, hvis pladsen er trang. Figur 2 illustrerer en alternativ tilgang. Denne tilgang bruger en enkelt backup-regulator til at erstatte de mange regulatorer i kredsløbet vist i figur 1, hvilket sparer plads og forenkler designet.

Figur 2: En integreret backup-regulator gør UPS-designs mere enkle og kompakte. (Billedkilde: Analog Devices)

En integreret backup-løsning

Designkonceptet, der er illustreret i figur 2, kan realiseres ved hjælp af Analog Devices' MAX38889 buck/boost switch-regulator. Dette er en fleksibel og kompakt backup-regulator til lagringskondensatorer eller kondensatorbatterier, der effektivt overfører strøm mellem et lagringselement og en systemforsyningsskinne. Den måler 3 x 3 millimeter (mm) og udsender 2,5 til 5,5 volt (V_SYS) ved en maksimal strøm på 3 ampere (A) (I_SYSMAX) fra et superkondensatorinput (V_CAP) på 0,5 til 5,5 volt (figur 3). Regulatorens driftstemperaturområde er -40 °C til +125 °C.

Figur 3: For en UPS baseret på MAX38889 afhænger I_SYSMAX for en given V_SYS af V_CAP. (Billedkilde: Analog Devices)

Når hovedstrømforsyningen er til stede, og dens spænding er over minimumstærsklen for systemforsyningsspændingen, oplader regulatoren superkondensatoren med en maksimal spidsstrøm på 3 A og en gennemsnitlig induktionsstrøm på 1,5 A. Når superkondensatoren er fuldt opladet, trækker den kun 4 mikroampere (µA) hvilestrøm, mens den holder sig klar. Superkondensatoren skal være fuldt opladet for at kunne fungere som backup.

Når hovedforsyningen fjernes, og superkondensatoren er fuldt opladet, forhindrer regulatoren systemet i at falde til under den indstillede driftsspænding for systembackup (V_BACKUP). Det gør den ved at øge superkondensatorens afladningsspænding til V_SYS, den regulerede systemspænding. Under backup-drift bruger MAX38889 et adaptivt, on-time og strømbegrænset PFM-styringsskema (pulsefrekvensmodulation).

Regulatorens eksterne ben giver mulighed for at styre forskellige indstillinger, såsom maksimal superkondensatorspænding (V_CAPMAX), V_SYS og maksimal opladnings- og afladningsstrøm for induktoren.

MAX38889 implementerer en True Shutdown-funktion, der afbryder SYS fra CAP og beskytter mod en SYS-kortslutning, hvis V_CAP > V_SYS. Opladning og backup kan deaktiveres ved at holde henholdsvis ENC- og ENB-benene lave (figur 4).

Figur 4: De eksterne ben på MAX38889 gør det muligt at indstille den maksimale superkondensatorspænding V_CAPMAX, V_SYS og den maksimale opladnings- og afladningsstrøm for induktoren; backupsystemets status kan overvåges via RDY-flaget. (Billedkilde: Analog Devices)

Backupsystemets status kan overvåges via to statusudgange: klarstatusflaget (RDY), som angiver, hvornår superkondensatoren er opladet, og backupstatusflaget (BKB), som angiver backupdrift.

Valg af superkondensator

Figur 5 viser et forenklet applikationskredsløb til UPS'en baseret på MAX38889. V_CAPMAX under opladning bestemmes af modstandsdivideren, der driver FBCH-benet. I dette eksempel sikrer modstandsværdierne R1 = 1,82 megaohm (MΩ), R2 = 402 kilohm (kΩ) og R3 = 499 kΩ, at V_CAPMAX er indstillet til 2,7 volt. Superkondensatoren oplades med en maksimal spidsstrøm på 3 A og en gennemsnitlig induktorstrøm på 1,5 A. Under afladning er den maksimale induktionsstrøm 3 A.

Figur 5: Her ses et forenklet applikationskredsløb til en UPS baseret på MAX38889. Superkondensatoren oplades med en maksimal spidsstrøm på 3 A og en gennemsnitlig induktorstrøm på 1,5 A. Under afladning er den maksimale induktorstrøm 3 A. (Billedkilde: Analog Devices)

Man skal være forsigtig, når man vælger en superkondensator til backup-drift. Når hovedstrømkilden svigter, leveres belastningseffekten af MAX38889, der arbejder i backup- eller boost-tilstand med superkondensatoren som energikilde. Den effekt, superkondensatoren kan levere ved den minimale reguleringsspænding, skal være større, end systemet kræver.

MAX38889 giver superkondensatoren en konstant effektbelastning, så der trækkes mindre strøm fra den, når den arbejder i nærheden af V_CAPMAX. Men strømmen, der trækkes fra superkondensatoren, stiger, når den aflades (og spændingen falder) for at opretholde konstant strøm til belastningen. Den energi, der kræves i backup-tilstand, er produktet af den kontinuerlige backup-effekt (V_SYS x I_SYS) over varigheden af backup-driften (T_BACKUP).

Mængden af energi i joule (J), der er til rådighed i superkondensatoren (C_SC), beregnes ved hjælp af ligning 1:

 Ligning 1

Den energimængde, der kræves for at gennemføre backup-operationen, beregnes ved hjælp af ligning 2:

 Ligning 2

Hvor I_SYS er belastningsstrømmen under backup.

Da den energi, der kræves til belastningen under backup-begivenheden, leveres af superkondensatoren, og man antager en konverteringseffektivitet (η) og giver en påkrævet T_BACKUP, bestemmes den påkrævede C_SC-værdi i farader (F) ved hjælp af ligning 3:

 Ligning 3

Hvis man bruger applikationskredsløbet vist i figur 5 som eksempel og antager en systembelastning på 200 milliampere (mA), en gennemsnitlig effektivitet på 93 % og en backuptid på 10 sekunder (s), er den krævede minimumsværdi for superkondensatoren:

 Ligning 4

Figur 6 viser opladnings- og afladningskurverne for applikationskredsløbet vist i figur 5.

Figur 6: Lade- og afladningskurver for applikationskredsløbet vist i figur 5. V_SYS = 3,6 volts, V_CAP = 2,7 volts, V_BACKUP = 3 volts. (Billedkilde: Analog Devices)

Kom i gang med et evalueringskort

MAX38889AEVKIT# evalueringskort til effektstyring af kondensatorlader giver et fleksibelt kredsløb til at evaluere buck/boost-backupregulatoren og teste en UPS baseret på MAX38889 og en superkondensator. Eksterne komponenter giver mulighed for en bred vifte af system- og superkondensatorspændinger samt opladnings- og afladningsstrømme.

Kortet indeholder tre shunts: ENC (opladning aktiveret), ENB (backup aktiveret) og LOAD (figur 7). Når ENC-shunten er indstillet i position 1-2, aktiveres opladningen, når V_SYS er over opladningstærsklen. Når ENB-shunten er sat i position 1-2, aktiveres backup, når V_SYS falder under backup-tærsklen. LOAD-shunten kan indstilles til position 1-2 for at gå ind i en testtilstand, hvor en 4,02 ohm (Ω) belastning er forbundet mellem V_SYS og jord for at simulere et afladningsscenarie. Kortet går i normal driftstilstand, hvis shunten kun er forbundet til ét ben.

Figur 7: MAX38889AEVKIT giver et fleksibelt kredsløb til evaluering af MAX38889 buck/boost supercapacitor backup-regulator. (Billedkilde: Analog Devices)

Når hovedbatteriet leverer mere end den minimale systemspænding, der kræves til opladning, oplader MAX38889-regulatoren superkondensatoren med en gennemsnitlig strøm på 1,5 A. Med V_FBCH = 0,5 volt og med modstandene R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ og R3 = 1,82 MΩ, så er V_CAPMAX = 2,7 volt.

EVKIT V_BACKUP er indstillet til 3 volt med modstandene R5 (1,21 MΩ) og R6 (1,82 MΩ) med V_FBS = 1,2 volt. Det betyder, at når hovedbatteriet tages ud, og V_FBS falder til 1,2 volt, trækker MAX38889 strøm fra superkondensatoren og regulerer V_SYS til V_BACKUP.

MAX38889A EVKIT har et RDY-testpunkt til overvågning af superkondensatorens opladningsstatus. RDY-testpunktet er højt, når spændingen på FBCR-benet krydser FBCR-spændingstærsklen på 0,5 volt (indstillet af R1, R2 og R3). Det betyder, at RDY bliver høj, når V_CAP overstiger 1,5 volt. På samme måde, når superkondensatoren leverer backup, bliver RDY-flaget lavt, når superkondensatoren leverer mindre end 1,5 volt.

EVKIT har også et BKB-testpunkt til overvågning af systemets backup-status. BKB trækkes lavt, når systemet leverer backup-strøm, og trækkes højt, når systemet oplades eller er i en inaktiv tilstand.

En modstand (R4) indstiller den maksimale induktionsstrøm mellem ISET og jord (GND). En modstandsværdi på 33 kΩ sætter den maksimale induktorstrøm til 3 A i henhold til formlen: Maksimal ladestrøm (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (Figur 8).

Figur 8: Her ses et skema over MAX38889-evalueringskortet; det fungerer ved hjælp af en 11 F superkondensator og har testpunkter til overvågning af V_CAP, V_SYS, RDY og BKB. (Billedkilde: Analog Devices)

Konklusion

En superkondensator kan bruges som energilagringselement i en UPS. Konventionelle UPS-topologier bruger flere spændingsregulatorer, der optager meget plads, hvilket gør dem vanskelige at designe. En integreret buck/boost-regulator letter disse designudfordringer ved at erstatte flere omformere og opladningskredsløb med en enkelt kompakt komponent.