Ontwerp een eenvoudige en compacte UPS op basis van een supercondensator

Een niet-onderbreekbare voeding (UPS) is van vitaal belang voor toepassingen zoals gegevensbescherming in RAID-opslag (redundant array of independent disks), autotelemetrie voor veiligheidsoperaties en apparaten voor medicijntoediening zoals insulinepompen in de gezondheidszorg.

Het ontwerpen van een UPS kan echter een uitdaging zijn, vooral als de ruimte beperkt is. Bovendien is een zorgvuldig ontwerp vereist voor de vele toepassingen die geen energiestromen van het opslagsysteem terug naar de voeding kunnen verdragen.

Deze ontwerpuitdagingen kunnen worden verlicht door een geïntegreerde aanpak te overwegen waarbij meerdere converters en laadcircuits worden vervangen door één component. Deze geïntegreerde benadering vereenvoudigt het circuitontwerp en maakt het eenvoudiger om ervoor te zorgen dat er geen stroom terugvloeit naar de voeding tijdens back-up.

Dit artikel schetst de uitdagingen van het UPS-ontwerp en presenteert een conventionele oplossing. Het artikel introduceert vervolgens een vereenvoudigd, geïntegreerd alternatief op basis van een buck/boost schakelende regelaar van Analog Devices.

Een supercondensator gebruiken als energiereservoir

Afbeelding 1 toont een conventionele benadering van een UPS-ontwerp. In dit voorbeeld voedt de UPS een 24 volt DC (V_DC) sensor. Het sensorcircuit heeft een 3,3 en een 5 volt ingang nodig. De UPS gebruikt een lineaire regelaar om een supercondensator op te laden wanneer er systeemspanning beschikbaar is. Als de systeemspanning daalt, wordt de energie in de condensator met een step-upregelaar opgevoerd tot het vereiste voedingsspanningsniveau.

Afbeelding 1: Deze UPS laadt een supercondensator op terwijl de systeemspanning normaal is en onttrekt die energie wanneer de systeemspanning daalt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Als de 24 volt voeding ook wordt gebruikt om andere circuitelementen dan de sensoren van stroom te voorzien, moet de supercondensator zo worden ingebouwd dat hij alleen het sensorcircuit van stroom voorziet en niet de andere elektronica die met de 24 volt lijn is verbonden. Diode "D" voorkomt dat dit gebeurt wanneer het circuit in back-upmodus staat.

Dit systeem werkt goed, maar kan moeilijk te implementeren zijn omdat het meerdere spanningsconvertors gebruikt. Het kan ook een uitdaging zijn als de ruimte beperkt is. Afbeelding 2 illustreert een alternatieve aanpak. Deze benadering maakt gebruik van een enkele reserveregelaar ter vervanging van de meerdere regelaars in het circuit van Afbeelding 1, wat ruimte bespaart en het ontwerp vereenvoudigt.

Afbeelding 2: Een geïntegreerde back-upregelaar maakt UPS-ontwerpen eenvoudiger en compacter. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een geïntegreerde back-upoplossing

Het ontwerpconcept in Afbeelding 2 kan worden gerealiseerd met de MAX38889 buck/boost-schakelregelaar van Analog Devices. Dit is een flexibele en compacte back-upregelaar voor opslagcondensators of condensatorbanken om stroom efficiënt over te brengen tussen een opslagelement en een systeemvoedingsrail. Hij meet 3 x 3 millimeter (mm) en levert 2,5 tot 5,5 volt (V_SYS) bij een maximale stroom van 3 ampère (A) (I_SYSMAX) uit een supercondensatoringang (V_CAP) van 0,5 tot 5,5 volt (Afbeelding 3). Het bedrijfstemperatuurbereik van de regelaar is -40 °C tot 125 °C.

Afbeelding 3: Voor een UPS gebaseerd op de MAX38889 hangt de I_SYSMAX voor een gegeven V_SYS af van V_CAP. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Als de hoofdvoeding aanwezig is en de spanning hoger is dan de minimale drempelwaarde voor de systeemvoeding, laadt de regelaar de supercondensator op met een maximale piekstroom van 3 A en een gemiddelde inductorstroom van 1,5 A. Zodra de supercondensator volledig is opgeladen, verbruikt het slechts 4 microampère (µA) ruststroom terwijl hij in staat van paraatheid blijft. De supercondensator moet volledig opgeladen zijn om back-up mogelijk te maken.

Wanneer de hoofdvoeding wordt verwijderd en de supercondensator volledig is opgeladen, voorkomt de regelaar dat het systeem onder de ingestelde bedrijfsspanning van het back-upsysteem (V_BACKUP) zakt. Het doet dit door de ontlaadspanning van de supercondensator te verhogen naar V_SYS, de gereguleerde systeemspanning. Tijdens back-upwerking gebruikt de MAX38889 een adaptief, on-time en stroombegrensd pulsfrequentiemodulatieschema (PFM).

Met de externe pinnen van de regelaar kunnen verschillende instellingen worden geregeld, zoals de maximale supercondensatorspanning (V_CAPMAX),V_SYS en de piekinductorlaad- en ontlaadstroom.

De MAX38889 implementeert een True Shutdown-functie, die SYS loskoppelt van CAP en beschermt tegen een SYS-kortsluiting als V_CAP > V_SYS. Opladen en back-up kunnen worden uitgeschakeld door respectievelijk de ENC- en ENB-pinnen laag te houden (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Met de externe pinnen van de MAX38889 kunnen de maximale supercondensatorspanning V_CAPMAX,V_SYS en de piekinductorlaad- en ontlaadstroom worden ingesteld; de status van het back-upsysteem kan worden bewaakt via de RDY-flag. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De status van het back-upsysteem kan worden bewaakt via twee statusuitgangen: de gereedstatus (RDY)-vlag, die aangeeft wanneer de supercondensator is opgeladen, en de back-upstatus (BKB)-vlag, die de werking van het back-upsysteem aangeeft.

Selectie van supercondensators

Afbeelding 5 toont een vereenvoudigd toepassingscircuit voor de UPS op basis van de MAX38889. V_CAPMAX tijdens het laden wordt bepaald door de weerstandsdeler die de FBCH-pin aanstuurt. In dit voorbeeld zorgen de weerstandswaarden van R1 = 1,82 megaohm (MΩ), R2 = 402 kilohm (kΩ) en R3 = 499 kΩ ervoor dat de V_CAPMAX is ingesteld op 2,7 volt. De supercondensator wordt opgeladen met een maximale piekstroom van 3 A en een gemiddelde inductorstroom van 1,5 A. Tijdens de ontlading is de piekstroom van de inductor 3 A.

Afbeelding 5: Afgebeeld is een vereenvoudigd toepassingscircuit voor een UPS op basis van de MAX38889. De supercondensator wordt opgeladen met een maximale piekstroom van 3 A en een gemiddelde inductorstroom van 1,5 A. Tijdens de ontlading is de piekstroom van de spoel 3 A. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Voorzichtigheid is geboden bij het selecteren van de supercondensator voor back-up. Wanneer de hoofdvoedingsbron uitvalt, wordt belastingsvermogen geleverd door de MAX38889 die in back-up- of boostmodus werkt met de supercondensator als energiebron. Het vermogen dat de supercondensator kan leveren bij de minimaal vereiste voedingsspanning moet groter zijn dan het systeem nodig heeft.

De MAX38889 zorgt voor een constante vermogensbelasting van de supercondensator, waardoor er minder stroom wordt onttrokken wanneer deze in de buurt van V_CAPMAX werkt. De stroom die uit de supercondensator wordt getrokken, neemt echter toe naarmate deze ontlaadt (en de spanning daalt) om een constant vermogen naar de belasting te handhaven. De energie die nodig is in de back-upmodus is het product van het continue back-upvermogen (V_SYS x I_SYS) over de duur van het back-upbedrijf (T_BACKUP).

De hoeveelheid energie in joules (J) die beschikbaar is in de supercondensator (C_SC) wordt berekend met behulp van Vergelijking 1:

 Vergelijking 1

De hoeveelheid energie die nodig is om de back-up uit te voeren, wordt berekend met Vergelijking 2:

 Vergelijking 2

Waarbij I_SYS de belastingsstroom is tijdens back-up.

Aangezien de energie die nodig is voor de belasting tijdens de back-up wordt geleverd door de supercondensator, uitgaande van een omzettingsefficiëntie (η) en gegeven een vereiste T_BACKUP, wordt de vereiste C_SC-waarde in farads (F) bepaald met behulp van Vergelijking 3:

 Vergelijking 3

Met het toepassingscircuit in Afbeelding 5 als voorbeeld, uitgaande van een systeembelasting van 200 milliampère (mA), een gemiddelde efficiëntie van 93% en een back-uptijd van 10 seconden (s), is de minimaal vereiste waarde van de supercondensator:

 Vergelijking 4

Afbeelding 6 toont de laad- en ontlaadcurven voor het toepassingscircuit in Afbeelding 5.

Afbeelding 6: Laad- en ontlaadcurves voor het toepassingscircuit in Figuur 5. V_SYS = 3,6 volt, V_CAP = 2,7 volt, V_BACKUP = 3 volt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Aan de slag met een evaluatiebord

Het MAX38889AEVKIT#-evaluatiebord voor energiebeheer van de condensatorlader biedt een flexibel circuit om de buck/boost backupregelaar te evalueren en een UPS te testen op basis van de MAX38889 en een supercondensator. Externe componenten maken een breed bereik van systeem- en supercondensatorspanningen mogelijk, evenals laad- en ontlaadstromen.

De printplaat bevat drie shunts: ENC (opladen ingeschakeld), ENB (back-up ingeschakeld) en LOAD (Afbeelding 7). Met de ENC-shunt ingesteld op positie 1-2 wordt opladen ingeschakeld als V_SYS boven de laaddrempel komt. Met de ENB-shunt ingesteld op positie 1-2, wordt back-up ingeschakeld wanneer V_SYS onder de back-updrempel zakt. De LOAD-shunt kan ingesteld worden op positie 1-2 om een testmodus te activeren waarbij een belasting van 4,02 ohm (Ω) wordt aangesloten over V_SYS en aarding om een ontladingsscenario te simuleren. Het bord komt in de normale werkingsmodus als de shunt maar op één pin is aangesloten.

Afbeelding 7: De MAX38889AEVKIT biedt een flexibel circuit om de MAX38889 buck/boost supercapacitor backupregelaar te evalueren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Wanneer de hoofdaccu meer levert dan de minimale systeemspanning die nodig is om op te laden, laadt de MAX38889 regelaar de supercondensator op met een gemiddelde stroom van 1,5 A. Met V_FBCH = 0,5 volt en met weerstanden R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ, en R3 = 1,82 MΩ, dan is V_CAPMAX= 2,7 volt.

De EVKIT V_BACKUP wordt ingesteld op 3 volt door de weerstanden R5 (1,21 MΩ) en R6 (1,82 MΩ) met V_FBS = 1,2 volt. Dit betekent dat wanneer de hoofdbatterij wordt verwijderd en V_FBS daalt tot 1,2 volt, de MAX38889 stroom haalt uit de supercondensator en de V_SYS regelt naar V_BACKUP.

De MAX38889A EVKIT biedt een RDY-testpunt om de laadstatus van de supercondensator te controleren. Het RDY-testpunt is hoog wanneer de spanning van de FBCR-pin de FBCR-spanningsdrempel van 0,5 volt overschrijdt (ingesteld door R1, R2 en R3). Dit betekent dat RDY hoog wordt als V_CAP hoger wordt dan 1,5 volt. Op dezelfde manier, wanneer de supercondensator back-up levert, gaat de RDY vlag laag wanneer de supercondensator minder dan 1,5 volt levert.

De EVKIT biedt ook een BKB-testpunt om de back-upstatus van het systeem te controleren. De BKB wordt laag getrokken wanneer het systeem back-upvoeding levert en hoog getrokken wanneer het systeem aan het opladen is of in een inactieve toestand verkeert.

Een weerstand (R4) bepaalt de piekinductorstroom tussen ISET en aarding (GND). Een weerstandswaarde van 33 kΩ stelt de piekinductorstroom in op 3 A volgens de formule: Pieklaadstroom (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Dit is een schema van het MAX38889-evaluatiebord; het werkt met een 11 F-supercondensator en biedt testpunten om V_CAP, V_SYS, RDY en BKB te controleren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

Een supercondensator kan worden gebruikt als energieopslagelement voor een UPS. Conventionele UPS-topologieën gebruiken meerdere spanningsregelaars die veel ruimte innemen, waardoor ze lastig te ontwerpen zijn. Een geïntegreerde benadering van de buck/boostregelaar verlicht deze ontwerpuitdagingen door meerdere convertors en laadcircuits te vervangen door een enkele compacte component.