Konstruere en enkel og kompakt UPS basert på en superkondensator

En avbruddsfri strømforsyning (UPS) er avgjørende for bruksområder som datavern med redundante matriser av uavhengige disker (RAID – redundant array of independent disks), telemetri for sikkerhetsfunksjoner i kjøretøy og enheter som tilfører medisin, for eksempel insulinpumper i helsevesenet.

Det kan imidlertid være utfordrende å utvikle en UPS, spesielt hvis plassen er begrenset. Dessuten kreves nøye konstruksjon for de mange bruksområdene som ikke tåler energistrømmer fra lagringssystemet tilbake til strømforsyningen.

Disse konstruksjonsutfordringene kan forenkles ved å se på en integrert tilnærming, der flere omformere og ladekretser erstattes med en enkelt komponent. Denne integrerte tilnærmingen forenkler konstruksjonen av kretser og gjør det enklere å sørge for at ingen strøm flyter tilbake til strømforsyningen mens backup-strømmen er aktiv.

Artikkelen skisserer konstruksjonsutfordringer forbundet med UPS-er og presenterer en konvensjonell løsning. Artikkelen introduserer deretter et forenklet, integrert alternativ basert på en ikke-lineær buck/boost-regulator (spenningsreduserende/-økende regulator) fra Analog Devices.

Bruke en superkondensator som energireservoar

Figur 1 viser en konvensjonell tilnærming for en UPS-konstruksjon. UPS-en driver en 24-volts likestrømssensor (V_DC) i dette eksemplet. Sensorkretsen krever en inngang på 3,3 og 5 volt. UPS-en bruker en lineær regulator til å lade en superkondensator når systemspenning er tilgjengelig. Hvis systemspenningen synker, økes energien i kondensatoren til ønsket forsyningsspenningsnivå med en spenningsøkende regulator.

Figur 1: Denne UPS-en lader en superkondensator mens systemspenningen er normal, og trekker deretter fra denne energien når systemspenningen faller. (Bildekilde: Analog Devices)

Hvis den 24-volts forsyningen også brukes til å drive andre kretselementer utover sensorene, bør superkondensatoren innlemmes slik at den bare driver sensorkretsen og ikke den andre elektronikken som er forbundet med 24-voltslinjen. Diode «D» forhindrer at dette skjer mens kretsen er i backup-strømmodus.

Dette systemet fungerer bra, men kan være vanskelig å implementere fordi det bruker flere spenningsomformere. Det kan også være utfordrende hvis plassen er begrenset. Figur 2 illustrerer en alternativ tilnærming. Denne tilnærmingen bruker en enkelt backup-regulator til å erstatte de flertallige regulatorene i kretsen som er vist i figur 1, noe som sparer plass og forenkler konstruksjonen.

Figur 2: En integrert backup-regulator gjør UPS-konstruksjoner enklere og mer kompakte. (Bildekilde: Analog Devices)

En integrert backup-løsning

Konseptet som er illustrert i figur 2 kan realiseres ved å bruke Analog Devices sin MAX38889, en buck/boost-regulator. Dette er en fleksibel og kompakt lagringskondensator, eller en backup-regulator med kondensatorbank, som effektivt overfører strøm mellom et lagringselement og en strømforsyningsskinne i et system. Den måler 3 x 3 millimeter (mm) og har en utgang på 2,5 til 5,5 volt (V_SYS) ved en maksimal strøm på 3 ampere (A) (I_SYSMAX) fra en superkondensatorinngang (V_CAP) på 0,5 til 5,5 volt (figur 3). Regulatorens driftstemperaturområde er –40 °C til +125 °C.

Figur 3: For en UPS basert på MAX38889, avhenger I_SYSMAX for en gitt V_SYS av V_CAP. (Bildekilde: Analog Devices)

Når hovedstrømforsyningen er tilstedeværende og spenningen er over den minste terskelen for systemets forsyningsspenning, lader regulatoren superkondensatoren med maksimalt 3 A spiss og 1,5 A gjennomsnittlig induktorstrøm. Når superkondensatoren er fulladet, trekker den bare 4 mikroampere (µA) hvilestrøm, og opprettholder samtidig klartilstand. Superkondensatoren må være fulladet for å aktivere backup-drift.

Når hovedstrømforsyningen fjernes og superkondensatoren er fulladet, hindrer regulatoren systemet i å falle under systemets innstilte backup-driftsspenning (V_BACKUP). Den gjør dette ved å øke superkondensatorens utladningsspenning til V_SYS, som er den regulerte systemspenningen. Under backup-drift bruker MAX38889 en adaptiv styringsplan med på-tidspuls og strømbegrenset pulsfrekvensmodulasjon (PFM).

De eksterne pinnene på regulatoren muliggjør styring av diverse innstillinger, slik som maksimal superkondensatorspenning (V_CAPMAX), V_SYS og ladning/utladning-spisstrøm for induktoren.

MAX38889 implementerer en funksjon for sann nedstengning (True Shutdown), som frakobler SYS fra CAP og beskytter mot en SYS-kortslutning hvis V_CAP > V_SYS. Lading og backup kan deaktiveres ved å holde ENC- og ENB-pinnene lave (figur 4).

Figur 4: De eksterne pinnene på MAX38889 muliggjør innstillinger for maksimal superkondensatorspenning V_CAPMAX, V_SYS og induktorspisstrøm for ladning og utladning. Status for backupsystemet kan overvåkes via RDY-flagget. (Bildekilde: Analog Devices)

Backup-systemets status kan overvåkes via to statusutganger: RDY-flagget (RDY – ready status), som angir når superkondensatoren er ladet, og BKB-flagget (BKB – backup status), som angir backup-drift.

Valg av superkondensator

Figur 5 viser en forenklet konstruksjonskrets for UPS-en basert på MAX38889. V_CAPMAX under lading fastsettes av motstand-deleren (resistor-divider) som driver FBCH-pinnen. I dette eksempelet er motstandsverdiene til R1 = 1,82 megaohm (MΩ), R2 = 402 kilohm (kΩ) og R3 = 499 kΩ, noe som sørger for at V_CAPMAX er satt til 2,7 volt. Superkondensatoren lades med maksimalt 3 A spiss og 1,5 A gjennomsnittlig induktorstrøm. Under utladning er spissinduktorstrømmen 3 A.

Figur 5 viser en forenklet konstruksjonskrets for en UPS basert på MAX38889. Superkondensatoren lades med maksimalt 3 A spiss og 1,5 A gjennomsnittlig induktorstrøm. Under utladning er spissinduktorstrømmen 3 A. (Bildekilde: Analog Devices)

Det er viktig å være forsiktig når du velger en superkondensator for backup-drift. Når hovedstrømkilden svikter, leveres laststrømmen av MAX38889 som fungerer i backup- eller opptransformeringsmodus, med superkondensatoren som energikilde. Strømmen som superkondensatoren kan levere ved minimum reguleringsspenning må være større enn systemet krever.

MAX38889 presenterer en konstant strømbelastning til superkondensatoren, noe som fører til at mindre strøm trekkes når den er virksom nær V_CAPMAX. Strømmen som trekkes fra superkondensatoren øker imidlertid etter hvert som den utlades (og spenningen faller) for å opprettholde konstant strøm til lasten. Energien som kreves i backup-modus, er produktet av den kontinuerlige backup-strømmen (V_SYS x I_SYS) over varigheten av backup-driften (T_BACKUP).

Mengden energi i joule (J) som er tilgjengelig i superkondensatoren (C_SC), beregnes ved å bruke ligning 1:

 Formel 1

Energimengden som kreves for å fullføre backup-handlingen, beregnes ved å bruke ligning 2:

 Formel 2

Der I_SYS er laststrømmen under backup-handlingen.

Siden energien som kreves for lasten under backup-hendelsen leveres av superkondensatoren, forutsatt en omformingsvirkningsgrad (η) og gitt en nødvendig T_BACKUP, fastsettes den nødvendige C_SC-verdien i farad (F) ved å bruke ligning 3:

 Formel 3

Ved å bruke konstruksjonskretsen vist i figur 5 som eksempel, og ved å anta en systembelastning på 200 milliampere (mA), en gjennomsnittlig virkningsgrad på 93 % og en backup-tid på 10 sekunder, kreves følgende minimumsverdien for superkondensatoren:

 Formel 4

Figur 6 viser ladnings- og utladningskurvene for konstruksjonskretsen vist i figur 5.

Figur 6: Ladnings- og utladningskurver for konstruksjonskretsen vist i figur 5. V_SYS = 3,6 volt, V_CAP = 2,7 volt, V_BACKUP = 3 volt. (Bildekilde: Analog Devices)

Kom i gang med et evalueringskort

MAX38889AEVKIT#, et evalueringskort for strømstyring av kondensatorlader (Capacitor Charger Power Management Evaluation Board), gir en fleksibel krets for å evaluere buck/boost-backupregulatoren og teste en UPS basert på MAX38889 og en superkondensator. Eksterne komponenter muliggjør et bredt utvalg av system- og superkondensatorspenninger, samt ladnings- og utladningsstrømmer.

Kortet har tre shunter: ENC (lading aktivert), ENB (backup aktivert) og LOAD (last) (figur 7). Når ENC-shunten er satt til posisjon 1-2, aktiveres lading når V_SYS er over ladeterskelen. Når ENB-shunten er satt til posisjon 1-2, aktiveres backup når V_SYS faller under backup-terskelen. LOAD-shunten kan settes til posisjon 1-2 for å gå inn i testmodus, der en last på 4,02 ohm (Ω) kobles på tvers av V_SYS og jord for å simulere et utladningsscenario. Kortet går over til normal driftsmodus hvis shunten bare er koblet til én pinne.

Figur 7: MAX38889AEVKIT gir en fleksibel krets for å evaluere MAX38889, en buck/boost-superkondensator-backupregulator. (Bildekilde: Analog Devices)

Når hovedbatteriet leverer mer enn den minimum systemspenningen som kreves for lading, lader MAX38889-regulatoren superkondensatoren med en gjennomsnittlig strøm på 1,5 A, der V_FBCH = 0,5 volt og motstandene R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ og R3 = 1,82 MΩ, og V_CAPMAX = 2,7 volt.

EVKIT V_BACKUP er satt til 3 volt av motstandene R5 (1,21 MΩ) og R6 (1,82 MΩ), der V_FBS = 1,2 volt. Dette tilsier at når hovedbatteriet fjernes og V_FBS faller til 1,2 volt, trekker MAX38889 strøm fra superkondensatoren og regulerer V_SYS til V_BACKUP.

MAX38889A EVKIT har et RDY-testpunkt hvor det er mulig å overvåke superkondensatorens ladestatus. RDY-testpunktet er høyt når spenningen til FBCR-pinnen krysser FBCR-spenningsterskelen på 0,5 volt (satt av R1, R2 og R3). Dette betyr at RDY blir høy når V_CAP overstiger 1,5 volt. På samme måte, når superkondensatoren leverer backup-strøm, går RDY-flagget lavt når superkondensatoren leverer mindre enn 1,5 volt.

MAX38889A EVKIT har et BKB-testpunkt, som gjør det mulig å overvåke superkondensatorens ladestatus. BKB-en trekkes lavt når systemet leverer backup-strøm, og høyt når systemet lades eller er i inaktiv tilstand.

En motstand (R4) setter spissinduktorstrømmen mellom ISET og jord (GND). En motstandsverdi på 33 kΩ setter spissinduktorstrømmen til 3 A i henhold til følgende formel: spissladestrøm (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (figur 8).

Figur 8: Her vises et skjema over MAX38889-evalueringskortet. Det bruker en superkondensator på 11 farad (F) og har testpunkter for å overvåke V_CAP, V_SYS, RDY og BKB. (Bildekilde: Analog Devices)

Konklusjon

En superkondensator kan brukes som energilagringselement for en UPS. Konvensjonelle UPS-topologier bruker flere spenningsregulatorer som tar opp betydelig plass, noe som gjør dem vanskelige å konstruere. En tilnærming med en integrert buck/boost-regulator letter disse konstruksjonsutfordringene ved å erstatte flere omformere og ladekretser med en enkelt kompakt komponent.