Projektowanie prostego i kompaktowego zasilacza awaryjnego (UPS) opartego na superkondensatorze

Zasilacze awaryjne (UPS) mają kluczowe znaczenie w takich zastosowaniach, jak ochrona danych w redundantnych macierzach niezależnych dysków (RAID), telemetria w motoryzacji dla zapewnienia bezpieczeństwa oraz w urządzeniach do podawania leków, takich jak pompy insulinowe w opiece zdrowotnej.

Jednak zaprojektowanie zasilacza awaryjnego (UPS) może być trudne, zwłaszcza w przypadku ograniczonej przestrzeni. Ponadto wiele zastosowań, które nie tolerują przepływów energii z układu magazynowania energii z powrotem do zasilacza, wymaga starannego zaprojektowania.

Wspomniane wyzwania projektowe można złagodzić, stosując zintegrowane podejście, w którym wiele przetwornic i obwodów ładowania zastępuje się jednym komponentem. Takie zintegrowane podejście upraszcza projektowanie obwodów i zapobiega przepływowi prądu z powrotem do zasilacza podczas pracy w trybie rezerwowym.

W niniejszym artykule omówiono wyzwania związane z projektowaniem zasilaczy awaryjnych (UPS) i przedstawiono konwencjonalne rozwiązania. Artykuł przedstawia uproszczoną, zintegrowaną alternatywę opartą na obniżająco-podwyższającym regulatorze przełączającym firmy Analog Devices.

Wykorzystanie superkondensatora jako magazynu energii

Ilustracja 1 przedstawia konwencjonalne podejście do projektowania zasilaczy awaryjnych (UPS). W tym przykładzie zasilacz awaryjny (UPS) zasila czujnik o napięciu 24V₌. Obwód czujnika wymaga napięcia wejściowego 3,3 i 5V. Gdy w układzie dostępne jest napięcie, zasilacz awaryjny (UPS) wykorzystuje regulator liniowy do ładowania superkondensatora. Jeśli napięcie w układzie spadnie, energia z kondensatora jest podwyższana do wymaganego poziomu napięcia zasilania za pomocą regulatora podwyższającego.

Ilustracja 1: zasilacz awaryjny (UPS) ładuje superkondensator, gdy napięcie układu jest normalne i pobiera tę energię, gdy napięcie układu spadnie. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Jeżeli zasilanie 24V jest również wykorzystywane do zasilania innych elementów obwodu poza czujnikami, superkondensator powinien być tak wbudowany, aby zasilał tylko obwód czujnika, a nie pozostałą elektronikę powiązaną z linią 24V. Dioda „D” zapobiega temu zjawisku, gdy obwód jest w trybie rezerwowym.

Ten system działa dobrze, ale może być trudny do wdrożenia, ponieważ wykorzystuje kilka przetwornic napięcia. Może to być również trudne, jeśli przestrzeń jest ograniczona. Ilustracja 2 przedstawia podejście alternatywne. W tym podejściu jeden regulator rezerwowy zastępuje wiele regulatorów w obwodzie pokazanym na ilustracji 1, co oszczędza miejsce i upraszcza konstrukcję.

Ilustracja 2: zintegrowany regulator rezerwowy sprawia, że konstrukcje zasilaczy UPS są prostsze i bardziej kompaktowe. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Zintegrowane rozwiązanie zasilania rezerwowego

Koncepcję projektową przedstawioną na ilustracji 2 można zrealizować przy użyciu obniżająco-podwyższającego regulatora przełączającego MAX38889. Jest on elastycznym regulatorem zasilania rezerwowego z kondensatorem lub zespołem kondensatorów magazynujących energię, który umożliwia wydajne przekazywanie energii między komponentem magazynującym a szyną zasilającą układu. Jego wymiary to 3 x 3mm, a napięcie wyjściowe wynosi od 2,5 do 5,5V_SYS przy maksymalnym prądzie 3A (I_SYSMAX) i napięciu wejściowym z superkondensatora (V_CAP) od 0,5 do 5,5V (ilustracja 3). Zakres temperatur roboczych regulatora wynosi od -40°C do +125°C.

Ilustracja 3: w przypadku zasilacza awaryjnego (UPS) opartego na urządzeniu MAX38889, prąd I_SYSMAX dla danego napięcia V_SYS zależy od napięcia V_CAP. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Gdy główne zasilanie jest dostępne, a jego napięcie przekracza minimalną wartość progową napięcia zasilania układu, regulator ładuje superkondensator z maksymalnym szczytowym natężeniem prądu 3A i średnim natężeniem cewki indukcyjnej 1,5A. Po pełnym naładowaniu, superkondensator pobiera prąd spoczynkowy o natężeniu zaledwie 4µA, utrzymując stan gotowości. Aby zainicjować działanie w trybie rezerwowym, superkondensator musi być w pełni naładowany.

Po odłączeniu głównego zasilania i pełnym naładowaniu superkondensatora, regulator zapobiega spadkowi napięcia systemu poniżej ustawionego napięcia roboczego podtrzymania systemu (V_BACKUP). Odbywa się to poprzez podwyższenie napięcia rozładowania superkondensatora do wartości V_SYS, czyli regulowanego napięcia systemu. Podczas pracy w trybie rezerwowym, urządzenie MAX38889 wykorzystuje adaptacyjny schemat sterowania czasem włączenia i modulacją częstotliwości impulsów (PFM) z ograniczeniem prądowym.

Zewnętrzne wtyki regulatora umożliwiają sterowanie różnymi ustawieniami, takimi jak maksymalne napięcie superkondensatora (V_CAPMAX), V_SYS oraz szczytowy prąd ładowania i rozładowania cewki indukcyjnej.

Urządzenie MAX38889 posiada funkcję rzeczywistego wyłączenia, która odłącza wtyk SYS od wtyku CAP i zabezpiecza przed zwarciem SYS, jeżeli V_CAP > V_SYS. Ładowanie i zasilanie rezerwowe można wyłączyć, ustawiając stan niski odpowiednio na wtykach ENC i ENB (ilustracja 4).

Ilustracja 4: zewnętrzne wtyki urządzenia MAX38889 pozwalają na ustawienie maksymalnego napięcia superkondensatora V_CAPMAX, V_SYS, a także szczytowego prądu ładowania i rozładowania cewki indukcyjnej. Status systemu zasilania rezerwowego można monitorować za pomocą wskaźnika RDY. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Status systemu rezerwowego można monitorować za pomocą dwóch wyjść statusowych: wskaźnika statusu gotowości (RDY), który sygnalizuje naładowanie superkondensatora oraz wskaźnika statusu zasilania rezerwowego (BKB), który sygnalizuje pracę w trybie zasilania rezerwowego.

Dobór superkondensatorów

Ilustracja 5 przedstawia uproszczony obwód zastosowania zasilacza awaryjnego (UPS) opartego na urządzeniu MAX38889. Napięcie V_CAPMAX podczas ładowania jest określane przez dzielnik rezystorowy sterujący wtykiem FBCH. W tym przykładzie wartości rezystora R1 = 1,82MΩ, R2 = 402kΩ i R3 = 499kΩ zapewniają ustawienie napięcia V_CAPMAX na wartość 2,7V. Superkondensator jest ładowany prądem szczytowym 3A przy średnim prądzie cewki indukcyjnej 1,5A. Podczas rozładowania, szczytowy prąd cewki indukcyjnej wynosi 3A.

Ilustracja 5: uproszczony obwód zastosowania zasilacza awaryjnego (UPS) opartego na urządzeniu MAX38889. Superkondensator jest ładowany prądem szczytowym 3A przy średnim prądzie cewki indukcyjnej 1,5A. Podczas rozładowania, szczytowy prąd cewki indukcyjnej wynosi 3A. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podczas doboru superkondensatora do pracy w trybie rezerwowym należy zachować ostrożność. W przypadku awarii głównego źródła zasilania, zasilanie odbiornika jest zapewniane przez urządzenie MAX38889 działające w trybie rezerwowym lub podwyższającym,wykorzystujące superkondensator jako źródło energii. Moc, jaką superkondensator może dostarczyć przy minimalnym napięciu zasilania regulacji, musi być większa niż wymaga tego system.

Urządzenie MAX38889 obciąża superkondensator stałą mocą, dzięki czemu pobierany jest z niego mniejszy prąd w momencie pracy z napięciem bliskim V_CAPMAX. Jednak, aby utrzymać stałą moc odbiornika podczas rozładowywania, prąd pobierany z superkondensatora wzrasta (a napięcie spada). Energia wymagana w trybie rezerwowym jest iloczynem mocy ciągłej zasilania rezerwowego (V_SYS x I_SYS) oraz czasu pracy w trybie rezerwowym (T_BACKUP).

Ilość energii w dżulach (J) dostępną w superkondensatorze (C_SC) oblicza się przy użyciu równania 1:

Równanie 1

Ilość energii potrzebną do ukończenia pracy w trybie rezerwowym oblicza się za pomocą równania 2:

Równanie 2

Gdzie I_SYS jest prądem obciążenia w trybie rezerwowym.

Ponieważ energia wymagana dla odbiornika podczas trybu rezerwowego jest dostarczana przez superkondensator, zakładając sprawność konwersji (η) i dany wymagany czas pracy rezerwowej T_BACKUP, wymaganą wartość C_SC w faradach (F) określa się za pomocą równania 3:

Równanie 3

Na przykładzie obwodu przedstawionego na ilustracji 5, przy założeniu obciążenia systemu na poziomie 200mA, średniej sprawności 93% i czasu pracy rezerwowej 10s, minimalna wymagana wartość superkondensatora wynosi:

Równanie 4

Ilustracja 6 przedstawia krzywe ładowania i rozładowania dla praktycznego obwodu na ilustracji 5.

Ilustracja 6: krzywe ładowania i rozładowania dla praktycznego obwodu na ilustracji 5. V_SYS = 3,6V, V_CAP = 2,7V, V_BACKUP = 3V. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Pierwsze kroki z płytką ewaluacyjną

Płytka ewaluacyjna MAX38889AEVKIT# zarządzania zasilaniem ładowarki kondensatorowej zawiera elastyczny obwód do ewaluacji rezerwowego regulatora obniżająco-podwyższającego oraz testowania zasilacza awaryjnego (UPS) opartego na urządzeniu MAX38889 i superkondensatorze. Komponenty zewnętrzne obsługują szeroki zakres napięć systemu i superkondensatorów, a także prądów ładowania i rozładowania.

Płytka zawiera trzy boczniki: ENC (włączone ładowanie), ENB (włączone zasilanie rezerwowe) oraz LOAD (obciążenie) (ilustracja 7). Jeżeli bocznik ENC jest ustawiony w pozycji 1-2, ładowanie jest włączane, gdy V_SYS przekroczy wartość progową ładowania. Jeżeli bocznik ENB jest ustawiony w pozycji 1-2, zasilanie rezerwowe jest włączane, gdy V_SYS spadnie poniżej wartości progowej zasilania rezerwowego. Bocznik LOAD można ustawić w pozycji 1-2, aby wejść w tryb testowy, w którym do napięcia V_SYS podłącza się obciążenie 4,02Ω i masę w celu symulacji scenariusza rozładowania. Płytka przechodzi w normalny tryb pracy, jeśli bocznik jest podłączony tylko do jednego wtyku.

Ilustracja 7: płytka ewaluacyjna MAX38889AEVKIT stanowi elastyczny obwód do ewaluacji rezerwowego regulatora obniżająco-podwyższającego z superkondensatorem MAX38889. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Gdy bateria główna dostarcza napięcie wyższe niż minimalne napięcie systemu wymagane do ładowania, regulator MAX38889 ładuje superkondensator prądem o średnim natężeniu 1,5A przy napięciu V_FBCH = 0,5V, w przypadku rezystorów o rezystancjach R1 = 499kΩ, R2 = 402kΩ oraz R3 = 1,82MΩ, przy napięciu V_CAPMAX = 2,7V.

Napięcie V_BACKUP płytki ewaluacyjnej EVKIT jest ustawiane na 3V przez rezystory R5 (1,21MΩ) i R6 (1,82MΩ) przy napięciu V_FBS = 1,2V. Oznacza to, że po odłączeniu baterii głównej i spadku V_FBS do 1,2V, urządzenie MAX38889 pobiera moc z superkondensatora i reguluje napięcie V_SYS do wartości V_BACKUP.

Płytka ewaluacyjna MAX38889A posiada punkt pomiarowy RDY, służący do monitorowania stanu naładowania superkondensatora. Punkt pomiarowy RDY jest w stanie wysokim, gdy napięcie na wtyku FBCR przekracza wartość progową napięcia FBCR wynoszącą 0,5V (ustawianą przez R1, R2 i R3). Oznacza to, że RDY przechodzi w stan wysoki, gdy V_CAP przekracza 1,5V. Podobnie dzieje się, gdy superkondensator zapewnia zasilanie rezerwowe, wskaźnik statusu RDY przechodzi w stan niski, kiedy superkondensator dostarcza napięcie poniżej 1,5V.

Omawiana płytka ewaluacyjna zawiera również punkt pomiarowy BKB do monitorowania statusu zasilania rezerwowego systemu. Wskaźnik BKB jest ustawiany w stan niski, gdy system zapewnia zasilanie rezerwowe, oraz w stan wysoki, gdy system się ładuje lub jest w stanie bezczynności.

Rezystor (R4) ustawia szczytowy prąd cewki indukcyjnej między ISET a masą (GND). Wartość rezystora 33kΩ ustawia szczytowy prąd cewki indukcyjnej na 3A zgodnie ze wzorem: Szczytowy prąd ładowania (I_{LX_CHG}) = 3A x (33kΩ/R4) (ilustracja 8).

Ilustracja 8: schemat płytki ewaluacyjnej MAX38889, która wykorzystuje superkondensator 11F i zapewnia punkty pomiarowe do monitorowania V_CAP, V_SYS, RDY oraz BKB. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podsumowanie

Komponentem magazynującym energię w zasilaczu awaryjnym (UPS) może być superkondensator. W konwencjonalnych topologiach zasilaczy awaryjnych (UPS) wykorzystuje się wiele regulatorów napięcia zajmujących dużo miejsca, co utrudnia projektowanie. Zintegrowany regulator obniżająco-podwyższający zmniejsza wyzwania projektowe poprzez zastąpienie wielu przetwornic i obwodów ładowania jednym kompaktowym komponentem.