Návrh jednoduchého a kompaktního zdroje UPS založeného na superkondenzátoru

Zdroj nepřerušovaného napájení (UPS) má zásadní význam pro aplikace, jako jsou ochrana dat v úložišti RAID (Redundant Array of Independent Discs), automobilová telemetrie pro bezpečné operace a zařízení pro dávkování léků, jako jsou inzulínové pumpy ve zdravotnictví.

Návrh zdroje UPS však může být náročný, zejména při omezeném prostoru. Pro mnoho aplikací, které nemohou tolerovat zpětné toky energie z úložného systému do napájecího zdroje, je navíc vyžadován pečlivý návrh.

Tyto konstrukční problémy lze zmírnit uplatněním integrované koncepce, kdy je více převodníků a nabíjecích obvodů nahrazeno jedinou součástí. Tato integrovaná koncepce zjednodušuje návrh obvodu a pomáhá zajistit, aby během záložního provozu žádný proud neprotékal zpět do napájecího zdroje.

Tento článek poskytuje přehled problematiky návrhu zdrojů UPS a představuje konvenční řešení. Poté představuje zjednodušenou integrovanou alternativu založenou na spínaném, snižovacím/zvyšovacím regulátoru od společnosti Analog Devices.

Použití superkondenzátoru jako zásobníku energie

Obrázek 1 znázorňuje konvenční koncepci návrhu zdrojů UPS. V tomto příkladu zdroj UPS napájí senzor 24 V DC (V_DC). Obvod senzoru vyžaduje vstupní napětí 3,3 a 5 V. Je-li k dispozici systémové napětí, zdroj UPS vyžívá k nabíjení superkondenzátoru lineární regulátor. Při poklesu systémového napětí se energie v kondenzátoru pomocí zvyšovacího regulátoru zvýší na požadovanou úroveň napájecího napětí.

Obrázek 1: v době, kdy je systémové napětí na normální úrovni, tento zdroj UPS nabíjí superkondenzátor, a při poklesu systémového napětí tuto energii čerpá. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pokud se 24V zdroj používá také k napájení dalších prvků obvodu kromě senzorů, superkondenzátor musí být zařazen tak, aby napájel pouze obvod senzoru, nikoli další elektroniku přiřazenou ke 24V zdroji. Je-li obvod v záložním režimu, pak tomuto stavu zamezuje dioda „D“.

Ačkoli tento systém pracuje dobře, jeho implementace může být obtížná, protože používá několik převodníků napětí. Takový úkol může být také náročný vzhledem k prostorovým omezením. Obrázek 2 znázorňuje alternativní koncepci. Tato koncepce využívá jeden záložní regulátor, který v obvodu znázorněném na obrázku 1 nahrazuje více regulátorů, což šetří místo a zjednodušuje návrh.

Obrázek 2: díky integrovanému záložnímu regulátoru jsou návrhy zdrojů UPS jednodušší a kompaktnější. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Integrované řešení zálohování

Koncepci návrhu znázorněnou na obrázku 2 lze realizovat pomocí spínacího snižovacího/zvyšovacího regulátoru MAX38889 od společnosti Analog Devices. Jedná se o flexibilní a kompaktní záložní regulátor s úložným kondenzátorem nebo kondenzátorovou bankou pro efektivní přenos energie mezi úložným zařízením a systémovou napájecí sběrnicí. Obvod má rozměry 3 x 3 mm a dodává výstupní napětí 2,5 až 5,5 V (V_SYS) s maximálním proudem 3 A (I_SYSMAX) ze vstupu superkondenzátoru (V_CAP) 0,5 až 5,5 V (obrázek 3). Rozsah provozních teplot regulátoru je -40°C až +125°C.

Obrázek 3: ¨u zdroje UPS založeného na regulátoru MAX38889 závisí proud I_SYSMAX při daném napětí V_SYS na vstupním napětí kondenzátoru V_CAP. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Je-li přítomen hlavní napájecí zdroj, jehož napětí přesahuje minimální prahovou hodnotou napájecího napětí systému, regulátor nabije superkondenzátor proudem induktoru s maximální hodnotou 3 A a střední hodnotou 1,5 A. Jakmile superkondenzátor dosáhne plného nabití, odebírá klidový proud pouze 4 µA a udržuje stav připravenosti. Aby byl umožněn záložní provoz, musí být superkondenzátor plně nabitý.

Při odpojení hlavního napájecího napětí a plném nabití superkondenzátoru regulátor zabraňuje poklesu systémového napětí pod nastavenou hodnotu záložního systémového pracovního napětí (V_BACKUP). Dosahuje toho zvýšením vybíjecího napětí superkondenzátoru na regulovanou úroveň systémového napětí V_SYS. Během záložního provozu používá regulátor MAX38889 adaptivní, přesné schéma řízení s proudovým limitem a pulzně-frekvenční modulací.

Externí piny regulátoru umožňují ovládání různých nastavení, například maximálního napětí superkondenzátoru (V_CAPMAX), napětí V_SYS a nabíjecího a vybíjecího proudu induktoru ve špičkách.

Regulátor MAX38889 je vybaven funkcí True Shutdown, která odpojuje systém (SYS) od kondenzátoru (CAP) a chrání napětí SYS před zkratem v případě V_CAP > V_SYS. Nabíjení a zálohování lze deaktivovat nastavením pinů ENC a ENB na nízkou úroveň (obrázek 4).

Obrázek 4: pomocí externích pinů regulátoru MAX38889 lze nastavit maximální napětí superkondenzátoru V_CAPMAX, napětí V_SYS a nabíjecí a vybíjecí proud induktoru ve špičkách; stav záložního systému lze monitorovat pomocí příznaku RDY. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Stav záložního systému lze monitorovat pomocí dvou stavových výstupů: příznaku stavu připravenosti (RDY), který indikuje nabití superkondenzátoru, a příznaku zálohy (BKB), který indikuje záložní provoz.

Výběr superkondenzátoru

Obrázek 5 znázorňuje zjednodušený aplikační obvod zdroje UPS založeného na regulátoru MAX38889. Napětí V_CAPMAX během nabíjení je určeno odporovým děličem, který ovládá pin FBCH. V tomto příkladu hodnoty rezistoru R1 = 1,82 MΩ, R2 = 402 kΩ a R3 = 499 kΩ zajišťují, že napětí V_CAPMAX je nastaveno na 2,7 V. Superkondenzátor se nabíjí maximální, resp. střední hodnotou proudu induktoru 3 A, resp. 1,5 A. Proud induktoru ve špičce během vybíjení dosahuje 3 A.

Obrázek 5: znázornění zjednodušeného aplikačního obvodu zdroje UPS založeného na regulátoru MAX38889. Superkondenzátor se nabíjí maximální, resp. střední hodnotou proudu induktoru 3 A, resp. 1,5 A. Proud induktoru ve špičce během vybíjení dosahuje 3 A. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Výběru superkondenzátoru pro záložní provoz vyžaduje opatrný postup. Pří výpadku hlavního napájecího zdroje dodává napětí do zátěže regulátor MAX38889 pracující v záložním nebo zvyšovacím režimu s využitím superkondenzátoru jako zdroje energie. Výkon, který je superkondenzátor schopen dodávat při svém minimálním regulačním napájecím napětí musí být vyšší, než je výkon požadovaný systémem.

Regulátor MAX38889 se vzhledem k superkondenzátoru chová jako konstantní výkonová zátěž, což se projevuje v nižším odběru proudu při provozu v blízkosti napětí V_CAPMAX. Proud odebíraný ze superkondenzátoru však s jeho vybíjením (a poklesem napětí) stoupá, aby byl zachován konstantní výkon zátěže. Energie potřebná v záložním režimu je součinem trvalého záložního výkonu (V_SYS x I_SYS) a doby trvání záložního provozu (T_BACKUP).

Množství energie v joulech (J) dostupné v superkondenzátoru (C_SC) se vypočítá pomocí rovnice 1:

 Rovnice 1

Množství energie potřebné k dokončení záložního provozu se vypočítá pomocí rovnice 2:

 Rovnice 2

Kde I_SYS je proud zátěže během záložního provozu.

Vzhledem k tomu, že potřebnou energii do zátěže během záložní události dodává superkondenzátor, při dané dané účinnosti převodu (η) a požadované době zálohování T_BACKUP je požadovaná kapacita C_SC ve faradech (F) je dána rovnicí 3:

 Rovnice 3

Při použití aplikačního obvodu znázorněného na obrázku 5 jako příkladu a za předpokladu systémové zátěže 200 mA, průměrné účinnosti 93 % a doby zálohování 10 s je minimální požadovaná kapacita superkondenzátoru následující:

 Rovnice 4

Obrázek 6 ukazuje nabíjecí a vybíjecí křivky pro aplikační obvod znázorněný na obrázku 5.

Obrázek 6: nabíjecí a vybíjecí křivky pro aplikační obvod znázorněný na obrázku 5. V_SYS = 3,6 V, V_CAP = 2,7 V, V_BACKUP = 3 V. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Začínáme s vyhodnocovací deskou

Vyhodnocovací deska řízení energie nabíjení kondenzátoru MAX38889AEVKIT# poskytuje flexibilní obvod na vyhodnocování záložního snižovacího/zvyšovacího regulátoru a testování zdroje UPS založeného na regulátoru MAX38889 a superkondenzátoru. Externí součásti umožňují široký rozsah systémového napětí a napětí superkondenzátoru, stejně jako nabíjecích a vybíjecích proudů.

Deska je osazena třemi bočníky: ENC (aktivace nabíjení), ENB (aktivace zálohování) a LOAD (obrázek 7). Při nastavení bočníku ENC do polohy 1-2 je nabíjení aktivováno, pokud napětí V_SYS přesahuje nabíjecí práh. Při nastavení bočníku ENB do polohy 1-2 je zálohování aktivováno, pokud napětí V_SYS poklesne pod prahovou hodnotu zálohování. Bočník LOAD lze nastavit do polohy 1-2 pro vstup do testovacího režimu, ve kterém je zátěž 4,02 Ω připojena přes napětí V_SYS a zem, kdy je simulován scénář vybíjení. Deska přejde do normálního provozního režimu, pokud je bočník připojen pouze k jednomu pinu.

Obrázek 7: vyhodnocovací deska MAX38889AEVKIT poskytuje flexibilní obvod na vyhodnocování záložního snižovacího/zvyšovacího regulátoru MAX38889 se superkondenzátorem. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pokud hlavní baterie dodává vyšší než minimální systémové napětí potřebné pro nabíjení a regulátor MAX38889 nabíjí superkondenzátor střední hodnotou proudu 1,5 A při napětí V_FBCH = 0,5 V a hodnotách odporů R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ a R3 = 1,82 MΩ, pak napětí V_CAPMAX = 2,7 V.

Napětí V_BACKUP vyhodnocovací soupravy EVKIT je pomocí rezistorů R5 (1,21 MΩ) a R6 (1,82 MΩ) nastaveno na 3 V při V_FBS = 1,2 V. Znamená to, že při vyjmutí hlavní baterie a poklesu napětí V_FBS na 1,2 V regulátor MAX38889 odebírá energii ze superkondenzátoru a reguluje napětí V_SYS na hodnotu V_BACKUP.

Vyhodnocovací deska MAX38889A EVKIT je opatřena měřicím bodem RDY na monitorování stavu nabití superkondenzátoru. Měřicí bod RDY má vysokou úroveň, pokud napětí na pinu FBCR překročí prahového hodnotu FBCR 0,5 V (nastaveno pomocí odporů R1, R2 a R3). Znamená to, že pokud napětí V_CAP překročí hodnotu 1,5 V, bod RDY přejde na vysokou úroveň. Podobně platí, že poskytuje-li superkondenzátor záložní napájení, pak při poklesu jeho napětí pod 1,5 V má příznak RDY nízkou úroveň.

Vyhodnocovací deska EVKIT je též opatřena měřicím bodem BKB na monitorování stavu zálohování systému. Bod BKB přejde na nízkou úroveň, pokud systém dodává záložní napájení, a na vysokou úroveň, pokud probíhá nabíjení systému nebo je-li systém v klidovém stavu.

Odpor (R4) slouží k nastavení proudu induktoru ve špičce mezi bodem ISET a zemí (GND). Hodnota odporu 33 kΩ nastavuje proud induktoru ve špičce na 3 A podle vzorce: nabíjecí proud ve špičce (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (obrázek 8).

Obrázek 8: schéma vyhodnocovací desky regulátoru MAX38889; deska pracuje se superkondenzátorem 11 F a poskytuje měřicí body pro monitorování napětí V_CAP, V_SYS, RDY a BKB. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Závěr

Superkondenzátor může sloužit jako prvek na ukládání energie pro záložní zdroj UPS. Vzhledem k tomu, že konvenční topologie zdrojů UPS používají několik napěťových regulátorů zabírajících značný prostor, jejich návrh je složitý. Integrovaná koncepce snižovacího/zvyšovacího regulátoru tuto konstrukční problematiku usnadňuje nahrazením několika převodníků a nabíjecích obvodů jedinou kompaktní součástí.