Záložní zdroj nebo také nepřerušitelný zdroj napájení (UPS - uninterruptible power supply) je důležitou součástí RAID úložiště, automobilové telemetrie nebo zařízení určená k podávání léků jako jsou například inzulínové pumpy. Návrh UPS zdroje není jednoduchá záležitost, zvláště pokud je prostor v zařízení velmi omezený. Je nutné také zajistit, aby nedocházelo toku energie ze skladovacího systému zpět do napájecího zdroje.

Výše uvedené požadavky lze vyřešit použitím integrovaného obvodu, kdy je více konvertorů a nabíjecích obvodů nahrazeno jedinou komponentou. Tím se zjednoduší celý návrh a zajistí se, aby během záložního provozu neprocházel žádný proud zpět do napájecího zdroje. Tento článek se věnuje potenciálními problémy, které mohou nastat při návrhu UPS zdroje a představí standardní řešení i jeho zjednodušenou integrovanou alternativu založenou na spínacím regulátoru buck/boost od Analog Devices .

Použití superkondenzátoru jako zásobníku energie

Obrázek 1 ukazuje standardní řešení UPS zdroje, který napájí senzorový obvod 24 V_DC. Senzorový obvod vyžaduje vstupní napětí 3,3 V a 5 V. UPS používá lineární regulátor k nabíjení superkondenzátoru, když je k dispozici systémové napětí. Pokud napětí systému klesne, napětí na kondenzátoru se zvýší na požadovanou úroveň napájecího napětí pomocí step-up regulátoru.

Obrázek 1: UPS obvod nabíjí superkondenzátor, když je k dispozici systémové napětí a energii ze superkondenzátoru čerpá, když systémové napětí klesne. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pokud se 24 V zdroj používá také k napájení dalších prvků obvodu mimo senzor, měl by být superkondenzátor začleněn tak, aby napájel pouze obvod senzoru a ne další elektroniku připojenou k napětí 24 V. Dioda „D“ tomu zabrání, když je obvod v záložním režimu. Tento systém funguje dobře, ale může být obtížné jej implementovat, protože používá několik regulátorů napětí. Problém nastává v prostorově omezených zařízeních. Obrázek 2 znázorňuje alternativu, která využívá jeden záložní regulátor k nahrazení několika regulátorů v obvodu znázorněném na obrázku 1, a tím se ušetří místo a zjednoduší se celá konstrukce.

Obrázek 2: Integrovaný záložní regulátor činí návrh UPS zdroje jednodušším a kompaktnějším. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Integrované řešení zálohování

Koncepci návrhu znázorněnou na obrázku 2 lze realizovat pomocí spínacího regulátoru MAX38889 buck/boost od Analog Devices. Jedná se o kombinaci s kompaktním úložným kondenzátorem. Velikost regulátoru je 3 x 3 mm a výstupní napětí se pohybuje od 2,5 do 5,5 V_SYS při maximálním proudu výstupním proudu I_SYSmax 3 A ze vstupu superkondenzátoru V_CAP 0,5 až 5,5 V (obrázek 3 ). Regulátor je schopen pracovat v provozních teplotách od -40°C do +125°C.

Obrázek 3: U UPS zdroje založeného na MAX38889 závisí proud I_SYSmax pro dané napětí V_SYS na napětí V_CAP . (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Když je přítomen hlavní zdroj napájení a jeho napětí je nad minimální prahovou hodnotou napájecího napětí systému, regulátor nabije superkondenzátor maximální hodnotou proudu 3 A. Jakmile je superkondenzátor plně nabitý, odebírá pouze 4 µA klidový proud, přičemž udržuje stav připravenosti. Aby byl umožněn záložní provoz, musí být superkondenzátor plně nabitý.

Když se hlavní napájení odpojí a superkondenzátor je plně nabitý, regulátor zabrání poklesu systému pod nastavené záložní provozní napětí systému V_BACKUP. Během záložního provozu používá MAX38889 adaptivní řídicí schéma jako je current-limited pulse frequency modulation (PFM). Externí piny regulátoru umožňují ovládání různých nastavení jako je například maximální napětí superkondenzátoru V_CAPmax, napětí V_SYS nebo špičkový nabíjecí/vybíjecí proud induktoru. MAX38889 má implementovanou funkci True Shutdown, která odpojuje V_SYS od V_CAP a chrání před zkratem zdroj V_SYS, pokud V_CAP > V_SYS. Nabíjení a zálohování lze deaktivovat udržováním pinů ENC a ENB na nízké úrovni (obrázek 4).

Obrázek 4: ENC a ENB piny MAX38889 umožňují nastavení maximálního napětí superkondenzátoru V_CAPMAX, napětí V_SYS nebo nabíjecí a vybíjecí proud induktoru. Stav záložního systému lze sledovat pomocí stavu na pinu RDY. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Stav záložního systému lze monitorovat pomocí dvou stavových výstupů. Stav na pinu RDY nám dává informaci o připravenosti záložního napětí čili nám ukazuje, kdy je superkondenzátor nabitý. Stav pinu BKB nám indikuje záložní provoz.

Výpočet kapacity superkondenzátoru

Na obrázku 5 je zobrazen zjednodušený aplikační obvod pro UPS zdroj založený na MAX38889. Velikost napětí V_CAPmax během nabíjení je určeno odporovým děličem, který je řízen pinem FBCH. V tomto příkladu jsou hodnoty odporu R₁ = 1,82 MΩ, R₂ = 402 kΩ a R3 = 499 kΩ a zajišťují, že napětí V_CAPmax je nastaveno na 2,7 V. Superkondenzátor se nabíjí maximálním proudem 3 A ( průměrný proud je 1,5 A. Během vybíjení je špičkový indukční proud 3 A.

Obrázek 5: Zjednodušený aplikační obvod pro UPS zdroj založený na MAX38889. Superkondenzátor se nabíjí maximálním proudem 3 A a průměrný proud je 1,5 A. Během vybíjení je špičkový proud induktoru 3 A. (Zdroj obrazu: Analog Devices)

Při výběru superkondenzátoru pro záložní provoz je nutné postupovat opatrně. Když selže hlavní zdroj napájení, napájení zátěže zajišťuje MAX38889 pracující v boost režimu s využitím superkondenzátoru jako zdroje energie. Výkon, který může superkondenzátor dodat při svém minimálním regulačním napájecím napětí, musí být větší, než systém vyžaduje.

MAX38889 představuje konstantní zatížení superkondenzátoru. Odebírá z něj minimální proud, když pracuje blízko napětí V_CAPmax. Proud odebíraný ze superkondenzátoru se však s jeho vybíjením (a poklesem napětí) zvyšuje, aby byl zachován konstantní výkon zátěže. Spotřeba energie potřebná v záložním režimu je součinem nepřetržitého záložního výkonu (V_SYS x I_SYS ) a doby trvání záložního provozu (T_BACKUP ). Množství energie v joulech dostupné v superkondenzátoru C_SC se vypočítá pomocí rovnice 1:

Rovnice 1

Množství energie potřebné k zálohování se vypočítá pomocí rovnice 2:

Rovnice 2

Kde I_SYS je zátěžový proud během zálohování.

Energie C_SC ve faradech (F) potřebná pro záložní dobu tedy, kdy dodává proud superkondenzátor, za předpokladu účinnosti konverze (η) a za předpokladu požadované doby T_BACKUP, je určena pomocí rovnice 3:

Rovnice 3

Při použití aplikačního obvodu znázorněného na obrázku 5 a za předpokladu zatížení systému 200 mA, průměrné účinnosti 93 % a době zálohování 10 s, je minimální požadovaná hodnota superkondenzátoru dána rovnicí:

Rovnice 4

Obrázek 6 ukazuje křivky nabíjení a vybíjení pro aplikační obvod znázorněný na obrázku 5.

Obrázek 6: Křivky nabíjení a vybíjení 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)

Vývojová deska

Capacitor Charger Power Management Evaluation Board MAX38889AEVKIT# obsahuje flexibilní obvod záložního regulátoru buck/boost a možnost testování UPS zdroje založeného na MAX38889 a superkondenzátoru. Externí komponenty umožňují nastavit široký rozsah napětí včetně nabíjecích a vybíjecích proudů.

Deska obsahuje tři přepínače: ENC (povolení nabíjení), ENB (povolení zálohování) a LOAD (obrázek 7). S ENC nastaveným v poloze 1-2 je nabíjení povoleno, když je V_SYS nad prahem nabíjení. S ENB nastaveným na pozici 1-2 je zálohování povoleno, když V_SYS klesne pod prahovou hodnotu zálohování. LOAD lze nastavit do polohy 1-2 pro přechod do testovacího režimu, ve kterém je k dispozici zátěž 4,02 Ω připojena přes V_SYS do zemi, aby se simulovalo vybíjení.

Obrázek 7: MAX38889AEVKIT obsahuje flexibilní obvod pro vyhodnocení záložního regulátoru superkondenzátoru MAX38889 buck/boost. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pokud hlavní baterie poskytuje vyšší než minimální systémové napětí požadované pro nabíjení, regulátor MAX38889 nabíjí superkondenzátor průměrným proudem 1,5 A s napětím V_FBCH = 0,5 V. Odpory R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ a R3 = 1,82 MΩ, pak určují napětí V_CAPmax = 2,7 V. Napětí V_BACKUP je nastaveno na 3 V pomocí rezistorů R5 (1,21 MΩ) a R6 (1,82 MΩ) s napětím V_FBS = 1,2 V. To znamená, že když je vyjmuta hlavní baterie a napětí V_FBS klesne na 1,2 V, tak MAX38889 odebírá energii ze superkondenzátoru a reguluje V_SYS na V_BACKUP.

MAX38889A EVKIT poskytuje testovací bod RDY pro monitorování stavu nabití superkondenzátoru. Testovací bod RDY je v úrovni high, když napětí na pinu FBCR překročí práh napětí FBCR 0,5 V (nastaveno pomocí R1, R2 a R3). To znamená, že napětí na RDY se nastaví na úroveň high, když V_CAP překročí 1,5 V. Podobně, když superkondenzátor poskytuje zálohu, napětí na RDY přejde do stavu Low, když superkondenzátor poskytuje méně než 1,5 V.

Vývojová deska také poskytuje testovací bod BKB pro sledování stavu zálohování systému. BKB je stažen do Low, když systém poskytuje záložní energii, a vytažen do High, když se systém nabíjí nebo je v klidovém stavu. Rezistor R4 nastavuje špičkový indukční proud mezi pinem ISET a zemí GND. Hodnota odporu 33 kΩ nastaví špičkový proud induktoru na 3 A podle vzorce: Špičkový nabíjecí proud (I_{LX_CHG} ) = 3 A x (33 kΩ/R4) (obrázek 8).

Obrázek 8: Schéma vývojové desky MAX38889 pracuje s 11F superkondenzátorem a poskytuje testovací body pro monitorování napětí V_CAP , V_SYS , RDY a BKB. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Závěr

Superkondenzátor lze použit jako součást záložního zdroje UPS. Standardní topologie UPS zdroje používá několik napěťových regulátorů, které zabírají značný prostor, a jejich návrh bývá složitý. Řešení pomocí integrovaného buck/boost regulátoru usnadňuje celkový návrh tím, že nahrazuje několik konvertorů jedinou kompaktní součástkou.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com