Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
Brezprekinitveno napajanje (UPS) je bistvenega pomena za aplikacije, kot so zaščita podatkov v RAID-u (Redundant Array of Independent Disks), avtomobilska telemetrija za varnostne operacije in naprave za dovajanje zdravil, kot so inzulinske črpalke v zdravstvu.
Vendar pa lahko zasnova UPS predstavlja velik izziv, še posebno v primeru omejenega prostora. Za mnoge aplikacije, ki ne tolerirajo pretoka energije iz shrambe nazaj v napajalni vir, je potrebna previdna zasnova.
Take izzive pri zasnovi pa se lahko premosti z integriranim pristopom, kjer se več pretvornikov in polnilnih vezij nadomesti z eno samo komponento. Ta integriran pristop poenostavi zasnovo vezja in olajša zagotavljanje, da med rezervnim delovanjem tok ne teče nazaj v napajalnik.
V tem članku so predstavljeni izzivi zasnove UPS in konvencionalna rešitev. V članku je nato opisana poenostavljena, integrirana rešitev, ki temelji na preklopnem regulatorju buck/boost na analognih napravah.
Uporaba superkondenzatorja kot zalogovnik energije
Slika 1 prikazuje konvencionalen pristop do zasnove UPS. V tem primeru UPS napaja 24-voltni senzor z enosmernim tokom (VDC). Vezje senzorja potrebuje 3,3- in 5-voltni vnos. UPS uporablja linearni regulator za polnjenje superkondenzatorja, če je na voljo sistemska napetost. Če sistemska napetost pade, se energija v kondenzatorju poveča na zahtevano raven napajalne napetosti s stopenjskim regulatorjem.
Če se 24-voltno napajanje poleg senzorjev uporablja tudi za napajanje drugih elementov vezja, mora biti superkondenzator vgrajen tako, da napaja samo vezje senzorja in ne druge elektronike, povezane s 24-voltno linijo. Diode »D« preprečujejo, da bi se to zgodilo, če je vezje v rezervnem načinu.
Sistem dobro deluje, vendar ga je lahko težko uvesti, ker uporablja več napetostnih pretvornikov. Izziv lahko predstavlja tudi omejen prostor. Slika 2 predstavlja alternativni pristop. Ta pristop uporablja en rezervni regulator, ki nadomesti več regulatorjev v vezju, prikazanem na sliki 1, kar prihrani prostor in poenostavi zasnovo.
Integrirana rezervna rešitev
Koncept zasnove, prikazan na sliki 2, je mogoče uresničiti s preklopnim regulatorjem družbe Analog DevicesMAX38889, ki deluje v načinu buck/boost. To je prilagodljiv in kompakten regulator za shranjevanje kondenzatorjev ali rezervno baterijo kondenzatorjev za učinkovit prenos energije med shranjevalnim elementom in sistemsko napajalno tirnico. Meri 3 x 3 milimetre (mm) in oddaja 2,5 do 5,5 volta (VSYS) pri največjem toku 3 amperi (A) (ISYSMAX) z vhoda superkondenzatorja (VCAP) od 0,5 do 5,5 volta (slika 3). Območje delovanja regulatorja je od -40 do +125 ˚C.
Ko je prisotno glavno napajanje in je njegova napetost nad minimalno mejno sistemsko napajalno napetostjo, regulator polni superkondenzator z največ 3 A in 1,5 A povprečnega indukcijskega toka. Ko je superkondenzator popolnoma napolnjen, porablja le 4 mikroampere (µA) mirujočega toka, medtem ko je v stanju pripravljenosti. Superkondenzator mora biti za rezervno delovanje popolnoma napolnjen.
Ko je glavno napajanje izključeno in je superkondenzator popolnoma napolnjen, regulator prepreči, da bi sistem padel pod nastavljeno varnostno delovno napetost sistema (VBACKUP). To doseže tako, da poveča napetost praznjenja superkondenzatorja na VSYS – regulirano sistemsko napetost. Med rezervnim delovanjem MAX38889 uporablja prilagodljivo, natančno shemo krmiljenja s pulzno frekvenčno modulacijo (PFM), ki je tokovno omejena.
Zunanji pini regulatorja omogočajo nadzor različnih nastavitev, kot so največja napetost superkondenzatorja (VCAPMAX), VSYS, ter največji polnilni in praznilni tok induktorja.
MAX38889 implementira funkcijo True Shutdown, ki odklopi SYS od CAP in ščiti pred kratkim stikom SYS, če velja VCAP> VSYS. Polnjenje in varnostno kopiranje lahko onemogočite tako, da sta pina ENC in ENB nizka (slika 4).
Stanje rezervnega sistema lahko spremljate z dvema statusnima izhodoma: z oznako stanja pripravljenosti (RDY), ki označuje, kdaj je superkondenzator napolnjen, in oznako stanja varnostne kopije (BKB), ki označuje delovanje varnostne kopije.
Izbira superkondenzatorja
Slika 5 prikazuje poenostavljeno aplikacijo vezja za UPS, ki temelji na regulatorju MAX38889. VCAPMAX med polnjenjem določi uporni delilnik, ki vodi pin FBCH. V tem primeru vrednosti uporov R1 = 1,82 megaohmov (MΩ), R2 = 402 kiloohmov (kΩ) in R3 = 499 kΩ zagotavljajo, da je VCAPMAX nastavljeno na 2,7 volta. Superkondenzator se polni z največ 3 A največjega in 1,5 A povprečnega induktivnega toka. Med praznjenjem je največji induktivni tok 3 A.
Previdno je treba izbrati superkondenzator za rezervno delovanje. Kadar glavni vir napajanja odpove, napajanje zagotavlja MAX38889, ki deluje v rezervnem ali ojačevalnem načinu in kot vir energije uporablja superkondenzator. Moč, ki jo superkondenzator lahko zagotovi pri minimalni regulacijski napajalni napetosti, mora biti večja, kot jo potrebuje sistem.
MAX38889 zagotavlja neprekinjen donos moči superkondenzatorju, zaradi česar se porabi manj toka, ko deluje pri vrednostih blizu VCAPMAX. Vendar se pri praznjenju superkondenzatorja poveča tok, ki se črpa iz superkondenzatorja (in pade napetost), da se ohrani konstantna moč bremena. Energija, zahtevana v rezervnem načinu je produkt neprekinjene rezervne noči (VSYS x ISYS) v obdobju rezervnega delovanja (TBACKUP).
Količina energije v džulih (J), ki je na voljo v superkondenzatorju (CSC), je izračunana z enačbo 1:
Količina energije, potrebne za dokončanje rezervnega delovanja, je izračunana z enačbo 2:
Kjer je ISYS tok bremena med rezervnim delovanjem.
Ker energijo, ki je potrebna za obremenitev med rezervnim dogodkom, zagotavlja superkondenzator, se ob predpostavki izkoristka pretvorbe (η) in zahtevanem TBACKUP zahtevana vrednost CSC v faradih (F) določi z enačbo 3:
Če kot primer uporabimo vezje, prikazano na sliki 5, ob predpostavki obremenitve sistema z 200 miliamperi (mA), povprečni učinkovitosti 93 % in rezervnem času 10 sekund (s), je najmanjša potrebna vrednost superkondenzatorja, enačba 4:
Slika 6 prikazuje krivulje polnjenja in praznjenja za aplikacijo vezja na sliki 5.
Začetek z razvojno ploščo
Ocenjevalna plošča MAX38889AEVKIT# za upravljanje napajanja polnilnika kondenzatorjev zagotavlja prilagodljivo vezje za ocenjevanje rezervnega regulatorja buck/boost in testiranje UPS, ki temelji na regulatorju MAX38889 in superkondenzatorju. Zunanje komponente omogočajo širok razpon napetosti sistema in superkondenzatorja ter polnilnih in praznilnih tokov.
Na plošči so vgrajeni trije šunti: ENC (omogočeno polnjenje), ENB (omogočeno rezervno polnjenje) in LOAD (slika 7). Če je bočnik ENC nastavljen v položaj 1–2, je polnjenje omogočeno, ko je VSYS nad pragom polnjenja. Če je šunt ENC nastavljen v položaj 1–2, je rezervno polnjenje omogočeno, ko VSYS pade pod prag rezervnega polnjenja. Bočnik LOAD lahko nastavite v položaj 1–2, da preklopite v preskusni način, pri katerem je obremenitev 4,02 ohma (Ω) priključena na VSYS in maso, da se simulira scenarij praznjenja. Plošča preide v normalni način delovanja, če je šunt povezan z le enim pinom.
Ko glavna baterija zagotavlja več kot minimalno sistemsko napetost, potrebno za polnjenje, regulator MAX38889 polni superkondenzator s povprečnim tokom 1,5 A. VFBCH = 0,5 volta in upori so R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ ter R3 = 1,82 MΩ, zato je VCAPMAX = 2,7 volta.
EVKIT VBACKUP upora R5 (1,21 MΩ) in R6 (1,82 MΩ) nastavita na 3 volte, kjer je VFBS = 1,2 volta. To pomeni, da ko odstranite glavno baterijo in VFBS pade na 1,2 V, MAX38889 črpa energijo iz superkondenzatorja in uravnava VSYS na VBACKUP.
MAX38889A EVKIT zagotavlja testno točko RDY za spremljanje stanja polnjenja superkondenzatorja. Testna točka RDY je visoka, ko napetost pinov FBCR preseže prag napetosti FBCR 0,5 volta (določijo R1, R2 in R3). To pomeni, da je RDY visok, če VCAP preseže 1,5 volta. Podobno, ko superkondenzator zagotavlja rezervno napajanje, se zastavica RDY zniža, ko superkondenzator zagotavlja manj kot 1,5 volta.
Komplet EVKIT tudi zagotavlja testno točko BKB za nadzor stanja rezervnega sistema. Ko sistem zagotavlja rezervno napajanje, je BKB potegnjen navzdol, če se sistem polni ali je v stanju mirovanja, pa je potegnjen navzgor.
Upor (R4) določa največji induktivni tok med ISET in ozemljitvijo (GND). Vrednost upora 33 kΩ določa maksimalni induktivni tok 3 A v skladu s formulo: zgornji polnilni tok (ILX_CHG) = 3 A x (33 kΩ/R4) (slika 8).
Zaključek
Superkondenzator se lahko uporablja kot element za shranjevanje energije zaUPS. Običajne topologije UPS uporabljajo več regulatorjev napetosti, zaradi česar je njihova zasnova težavna, poleg tega pa zavzamejo veliko prostora. Integrirani pristop z regulatorjem buck/boost olajša te zasnovne izzive, saj več konverterjev in polnilnih vezij nadomesti z eno samo kompaktno komponento.
