Proiectarea unui UPS simplu și compact bazat pe un supercondensator

O sursă de alimentare neîntreruptibilă (UPS) este esențială pentru aplicații precum protecția datelor în sistemele de stocare Redundant Array of Independent Disks (RAID), telemetria auto pentru operațiuni de siguranță și dispozitivele de administrare a medicamentelor, cum ar fi pompele de insulină din instituțiile medicale.

Cu toate acestea, proiectarea unui UPS poate fi o provocare, mai ales dacă spațiul este limitat. În plus, proiectarea trebuie abordată cu atenție pentru numeroase aplicații care nu pot tolera fluxurile de energie dinspre sistemul de stocare către sursa de alimentare.

Aceste provocări de proiectare pot fi ușurate prin alegerea unei abordări integrate prin care mai multe convertoare și circuite de încărcare sunt înlocuite cu o singură componentă. Această abordare integrată simplifică proiectarea circuitelor și ajută la prevenirea întoarcerii unui curent la sursa de alimentare în timpul funcționării de rezervă.

Acest articol subliniază provocările de proiectare a UPS-urilor și prezintă o soluție convențională. Articolul prezintă apoi o alternativă simplificată, integrată, bazată pe un regulator de comutare de coborâre/ridicare de la Analog Devices.

Utilizarea unui supercondensator ca rezervor de energie

Figura 1 prezintă o abordare convențională a proiectării unui UPS. În acest exemplu, UPS-ul alimentează un senzor de 24 de volți c.c. (V_c.c.). Circuitul senzorului necesită o intrare de 3,3 și 5 volți. UPS-ul utilizează un regulator liniar pentru a încărca un supercondensator atunci când tensiunea sistemului este disponibilă. Dacă tensiunea sistemului scade, energia din condensator este amplificată la nivelul necesar de tensiune de alimentare cu ajutorul unui regulator de ridicare.

Figura 1: Acest UPS încarcă un supercondensator în timp ce tensiunea sistemului este normală și absoarbe această energie atunci când tensiunea sistemului scade. (Sursă imagine: Analog Devices)

În cazul în care alimentarea de 24 de volți este utilizată și pentru a alimenta alte elemente de circuit în afară de senzori, supercondensatorul ar trebui încorporat astfel încât să alimenteze numai circuitul senzorului și nu și celelalte componente electronice asociate cu linia de 24 de volți. Dioda „D” previne acest lucru atunci când circuitul este în modul de rezervă.

Acest sistem funcționează bine, dar poate fi dificil de implementat deoarece utilizează mai multe convertoare de tensiune. De asemenea, poate fi dificil dacă spațiul este limitat. Figura 2 ilustrează o abordare alternativă. Această abordare utilizează un singur regulator de rezervă pentru a înlocui regulatoarele multiple din circuitul prezentat în Figura 1, economisind spațiu și simplificând proiectarea.

Figura 2: Un regulator de rezervă integrat face ca proiectele de UPS să fie mai simple și mai compacte. (Sursă imagine: Analog Devices)

O soluție integrată pentru copiile de rezervă

Conceptul de proiectare ilustrat în Figura 2 poate fi realizat utilizând regulatorul de comutare de coborâre/ridicare MAX38889 de la Analog Devices. Acesta este un regulator de rezervă flexibil și compact cu condensator de stocare sau cu banc de condensatoare pentru transferul eficient de energie între un element de stocare și o șină de alimentare a sistemului. Măsoară 3 x 3 milimetri (mm) și emite între 2,5 și 5,5 volți (V_SYS) la un curent maxim de 3 amperi (A) (I_SYSMAX) de la o intrare de supercondensator (V_CAP) de la 0,5 până la 5,5 volți (Figura 3). Intervalul temperaturilor de operare a regulatorului este de la -40 °C la +125 °C.

Figura 3: Pentru un UPS bazat pe MAX38889, I_SYSMAX pentru un V_SYS dat depinde de V_CAP. (Sursă imagine: Analog Devices)

Atunci când sursa principală de alimentare este prezentă, iar tensiunea acesteia este peste pragul minim al tensiunii de alimentare a sistemului, regulatorul încarcă supercondensatorul cu un curent de inducție de maxim 3 A la vârf și 1,5 A în medie. Odată ce supercondensatorul este complet încărcat, acesta consumă un curent de repaus de numai 4 microamperi (µA), menținându-se în stare de funcționare. Supercondensatorul trebuie să fie complet încărcat pentru a permite funcționarea de rezervă.

Atunci când alimentarea principală este întreruptă și supercondensatorul este complet încărcat, regulatorul previne scăderea sistemului sub tensiunea de funcționare de rezervă a sistemului (V_BACKUP). Acest lucru este realizat prin creșterea tensiunii de descărcare a supercondensatorului la V_SYS, tensiunea de sistem regulată. În timpul funcționării de rezervă, MAX38889 utilizează o schemă de control adaptivă, cu timp de funcționare și cu modulație în frecvență a impulsurilor (PFM) limitată de curent.

Pinii externi ai regulatorului permit controlul diferitelor setări, cum ar fi tensiunea maximă a supercondensatorului (V_CAPMAX), V_SYS și curentul de vârf de încărcare și descărcare a inductorului.

MAX38889 implementează o caracteristică True Shutdown, deconectând SYS de la CAP și protejând împotriva unui scurtcircuit SYS dacă V_CAP > V_SYS. Încărcarea și funcționarea de rezervă pot fi dezactivate prin menținerea pinilor ENC și, respectiv, ENB la nivel scăzut (Figura 4).

Figura 4: Pinii externi ai MAX38889 permit reglarea tensiunii maxime a supercondensatorului V_CAPMAX, V_SYS și a curentului de vârf de încărcare și descărcare a inductorului; starea sistemului de rezervă poate fi monitorizată prin intermediul indicatorului RDY. (Sursă imagine: Analog Devices)

Starea sistemului de rezervă poate fi monitorizată prin intermediul a două ieșiri de stare: indicatorul de stare gata (RDY), care indică momentul în care supercondensatorul este încărcat, și indicatorul de stare de rezervă (BKB), care indică funcționarea de rezervă.

Selectarea supercondensatorului

Figura 5 prezintă un circuit de aplicație simplificat pentru UPS bazat pe MAX38889. V_CAPMAX în timpul încărcării este determinat de rezistorul de divizare care acționează pinul FBCH. În acest exemplu, valorile rezistorului R1 = 1,82 megaohmi (MΩ), R2 = 402 kiloohmi (kΩ) și R3 = 499 kΩ garantează că V_CAPMAX este setat la 2,7 volți. Supercondensatorul este încărcat cu un curent de vârf de maximum 3 A și un curent mediu de inducție de 1,5 A. În timpul descărcării, curentul de vârf al inductorului este de 3 A.

Figura 5: Este prezentat un circuit de aplicație simplificat pentru un UPS bazat pe MAX38889. Supercondensatorul este încărcat cu un curent de vârf de maximum 3 A și un curent mediu de inducție de 1,5 A. În timpul descărcării, curentul de vârf al inductorului este de 3 A. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Trebuie acordată atenție deosebită atunci când se selectează un supercondensator pentru funcționarea de rezervă. Atunci când sursa principală de alimentare se defectează, alimentarea sarcinii este furnizată de MAX38889 care funcționează în modul de rezervă sau în modul de amplificare folosind supercondensatorul ca sursă de energie. Puterea pe care supercondensatorul o poate furniza la tensiunea de alimentare minimă de reglare trebuie să fie mai mare decât cea necesară sistemului.

MAX38889 prezintă o sarcină de putere constantă pentru supercondensator, ceea ce determină un consum mai mic curent de la acesta atunci când funcționează aproape de V_CAPMAX. Cu toate acestea, curentul absorbit de la supercondensator crește pe măsură ce acesta se descarcă (și tensiunea scade) pentru a menține o putere constantă pentru sarcină. Energia necesară în modul de rezervă este produsul dintre puterea de rezervă continuă (V_SYS x I_SYS) și durata operațiunii de rezervă (T_BACKUP).

Cantitatea de energie în jouli (J) disponibilă în supercondensator (C_SC) se calculează cu ajutorul Ecuației 1:

 Ecuația 1

Cantitatea de energie necesară pentru a finaliza operațiunea de rezervă se calculează cu ajutorul Ecuației 2:

 Ecuația 2

Unde I_SYS este curentul de sarcină în timpul funcționării de rezervă.

Deoarece energia necesară pentru sarcină în timpul funcționării de rezervă este furnizată de supercondensator, presupunând o eficiență de conversie (η) și având în vedere T_BACKUP necesar, valoarea C_SC necesară în farazi (F) se determină cu ajutorul Ecuației 3:

 Ecuația 3

Folosind ca exemplu circuitul de aplicație prezentat în Figura 5, presupunând o sarcină de 200 miliamperi (mA) a sistemului, o eficiență medie de 93% și un timp de rezervă de 10 secunde (s), valoarea minimă a supercondensatorului necesar este:

 Ecuația 4

Figura 6 prezintă curbele de încărcare și descărcare pentru circuitul de aplicație prezentat în Figura 5.

Figura 6: Curbele de încărcare și descărcare pentru circuitul de aplicație prezentat în Figura 5. V_SYS = 3,6 volți, V_CAP = 2,7 volți, V_BACKUP = 3 volți. (Sursă imagine: Analog Devices)

Începeți lucrul cu o placă de evaluare

Placa de evaluare MAX38889AEVKIT# pentru gestionarea alimentării încărcării condensatorului oferă un circuit flexibil pentru a evalua regulatorul de rezervă de coborâre/ridicare și pentru a testa un UPS bazat pe MAX38889 și un supercondensator. Componentele externe permit o gamă largă de tensiuni ale sistemului și ale supercondensatorului, precum și de curenți de încărcare și descărcare.

Placa încorporează trei șunturi: ENC (încărcare activată), ENB (rezervă activată) și LOAD (Figura 7). Cu șuntul ENC setat în poziția 1-2, încărcarea este activată atunci când V_SYS este peste pragul de încărcare. Cu șuntul ENB setat în poziția 1-2, rezerva este activată atunci când V_SYS scade sub pragul de rezervă. Șuntul LOAD poate fi setat în poziția 1-2 pentru a intra într-un mod de testare prin care o sarcină de 4,02 ohmi (Ω) este conectată între V_SYS și masă pentru a simula un scenariu de descărcare. Placa intră în modul normal de funcționare dacă șuntul este conectat doar la un singur pin.

Figura 7: MAX38889AEVKIT oferă un circuit flexibil pentru a evalua regulatorul de rezervă cu supercondensator de coborâre/ridicare MAX38889. (Sursă imagine: Analog Devices)

Atunci când bateria principală furnizează mai mult decât tensiunea minimă a sistemului necesară pentru încărcare, regulatorul MAX38889 încarcă supercondensatorul cu un curent mediu de 1,5 A, cu V_FBCH = 0,5 volți și cu rezistoarele R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ și R3 = 1,82 MΩ, apoi V_CAPMAX= 2,7 volți.

EVKIT V_BACKUP este setat la 3 volți prin rezistoarele R5 (1,21 MΩ) și R6 (1,82 MΩ) cu V_FBS = 1,2 volți. Acest lucru dictează că atunci când bateria principală este scoasă și V_FBS scade la 1,2 volți, MAX38889 preia energie de la supercondensator și reglează V_SYS la V_BACKUP.

EVKIT MAX38889A oferă un punct de testare RDY pentru a monitoriza starea de încărcare a supercondensatorului. Punctul de testare RDY este ridicat atunci când tensiunea pinului FBCR trece de pragul de tensiune FBCR de 0,5 volți (setat de R1, R2 și R3). Acest lucru înseamnă că RDY trece la nivel înalt atunci când V_CAP depășește 1,5 volți. În mod similar, când supercondensatorul asigură funcționarea de rezervă, indicatorul RDY trece la nivel scăzut atunci când supercondensatorul furnizează mai puțin de 1,5 volți.

De asemenea, EVKIT oferă un punct de testare BKB pentru a monitoriza starea de rezervă a sistemului. BKB este adus la nivel scăzut atunci când sistemul furnizează energie de rezervă și este adus la nivel ridicat atunci când sistemul se încarcă sau se află într-o stare de inactivitate.

Un rezistor (R4) stabilește curentul de vârf al inductorului între ISET și masă (GND). O valoare a rezistorului de 33 kΩ stabilește curentul de vârf al inductorului la 3 A conform formulei: curentul de încărcare de vârf (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (Figura 8).

Figura 8: Este prezentată o schemă a plăcii de evaluare MAX38889; aceasta funcționează folosind un supercondensator de 11 F și oferă puncte de testare pentru a monitoriza V_CAP, V_SYS, RDY și BKB. (Sursă imagine: Analog Devices)

Concluzie

Un supercondensator poate fi utilizat ca element de stocare a energiei pentru un UPS. Topologiile convenționale de UPS utilizează mai multe regulatoare de tensiune care ocupă mult spațiu, ceea ce le face dificil de proiectat. O abordare integrată a regulatorului de coborâre/ridicare ușurează aceste provocări de proiectare prin înlocuirea mai multor convertoare și circuite de încărcare cu o singură componentă compactă.