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

Dobór superkondensatorów

Ilustracja 5 przedstawia uproszczony obwód zastosowania zasilacza awaryjnego (UPS) opartego na urządzeniu MAX38889. Napięcie VCAPMAX 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 VCAPMAX 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 VCAPMAX. 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 (VSYS x ISYS) oraz czasu pracy w trybie rezerwowym (TBACKUP).

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

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

 Gdzie ISYS 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 TBACKUP, wymaganą wartość CSC w faradach (F) określa się za pomocą równania 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:

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. VSYS = 3,6V, VCAP = 2,7V, VBACKUP = 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 VSYS przekroczy wartość progową ładowania. Jeżeli bocznik ENB jest ustawiony w pozycji 1-2, zasilanie rezerwowe jest włączane, gdy VSYS spadnie poniżej wartości progowej zasilania rezerwowego. Bocznik LOAD można ustawić w pozycji 1-2, aby wejść w tryb testowy, w którym do napięcia VSYS 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.

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 VFBCH = 0,5V, w przypadku rezystorów o rezystancjach R1 = 499kΩ, R2 = 402kΩ oraz R3 = 1,82MΩ, przy napięciu VCAPMAX = 2,7V.

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

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 VCAP 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 (ILX_CHG) = 3A x (33kΩ/R4) (ilustracja 8).

Ilustracja 8: schemat płytki ewaluacyjnej MAX38889, która wykorzystuje superkondensator 11F i zapewnia punkty pomiarowe do monitorowania VCAP, VSYS, 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.

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

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!