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

Zasilacze awaryjne (UPS) mają kluczowe znaczenie w takich zastosowaniach, jak ochrona danych w redundantnych macierzach niezależnych dysków (RAID), telemetria w motoryzacji dla zapewnienia bezpieczeństwa oraz w urządzeniach do podawania leków, takich jak pompy insulinowe w opiece zdrowotnej. Jednak zaprojektowanie zasilacza awaryjnego (UPS) może być trudne, zwłaszcza w przypadku ograniczonej przestrzeni. Ponadto wiele zastosowań, które nie tolerują przepływów energii z układu magazynowania energii z powrotem do zasilacza, wymaga starannego zaprojektowania. Wspomniane wyzwania projektowe można złagodzić, stosując zintegrowane podejście, w którym wiele przetwornic i obwodów ładowania zastępuje się jednym komponentem. Takie zintegrowane podejście upraszcza projektowanie obwodów i zapobiega przepływowi prądu z powrotem do zasilacza podczas pracy w trybie rezerwowym. W niniejszym artykule omówiono wyzwania związane z projektowaniem zasilaczy awaryjnych (UPS) i przedstawiono konwencjonalne rozwiązania. Artykuł przedstawia uproszczoną, zintegrowaną alternatywę opartą na obniżająco-podwyższającym regulatorze przełączającym firmy Analog Devices.

Wykorzystanie superkondensatora jako magazynu energii

Ilustracja 1 przedstawia konwencjonalne podejście do projektowania zasilaczy awaryjnych (UPS). W tym przykładzie zasilacz awaryjny (UPS) zasila czujnik o napięciu 24V=. Obwód czujnika wymaga napięcia wejściowego 3,3 i 5V. Gdy w układzie dostępne jest napięcie, zasilacz awaryjny (UPS) wykorzystuje regulator liniowy do ładowania superkondensatora. Jeśli napięcie w układzie spadnie, energia z kondensatora jest podwyższana do wymaganego poziomu napięcia zasilania za pomocą regulatora podwyższającego.

Ilustracja 1: Zasilacz awaryjny (UPS) ładuje superkondensator, gdy napięcie układu jest normalne i pobiera tę energię, gdy napięcie układu spadnie. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Jeżeli zasilanie 24V jest również wykorzystywane do zasilania innych elementów obwodu poza czujnikami, superkondensator powinien być tak wbudowany, aby zasilał tylko obwód czujnika, a nie pozostałą elektronikę powiązaną z linią 24V. Dioda „D” zapobiega temu zjawisku, gdy obwód jest w trybie rezerwowym.

Ten system działa dobrze, ale może być trudny do wdrożenia, ponieważ wykorzystuje kilka przetwornic napięcia. Może to być również trudne, jeśli przestrzeń jest ograniczona. Ilustracja 2 przedstawia podejście alternatywne. W tym podejściu jeden regulator rezerwowy zastępuje wiele regulatorów w obwodzie pokazanym na ilustracji 1, co oszczędza miejsce i upraszcza konstrukcję.

Ilustracja 2: Zintegrowany regulator rezerwowy sprawia, że konstrukcje zasilaczy UPS są prostsze i bardziej kompaktowe. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Zintegrowane rozwiązanie zasilania rezerwowego

Koncepcję projektową przedstawioną na ilustracji 2 można zrealizować przy użyciu obniżająco-podwyższającego regulatora przełączającego MAX38889. Jest on elastycznym regulatorem zasilania rezerwowego z kondensatorem lub zespołem kondensatorów magazynujących energię, który umożliwia wydajne przekazywanie energii między komponentem magazynującym a szyną zasilającą układu. Jego wymiary to 3 x 3mm, a napięcie wyjściowe wynosi od 2,5 do 5,5VSYS przy maksymalnym prądzie 3A (ISYSMAX) i napięciu wejściowym z superkondensatora (VCAP) od 0,5 do 5,5V (ilustracja 3). Zakres temperatur roboczych regulatora wynosi od -40°C do +125°C.

Ilustracja 3: W przypadku zasilacza awaryjnego (UPS) opartego na urządzeniu MAX38889, prąd ISYSMAX dla danego napięcia VSYS zależy od napięcia VCAP. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Gdy główne zasilanie jest dostępne, a jego napięcie przekracza minimalną wartość progową napięcia zasilania układu, regulator ładuje superkondensator z maksymalnym szczytowym natężeniem prądu 3A i średnim natężeniem cewki indukcyjnej 1,5A. Po pełnym naładowaniu, superkondensator pobiera prąd spoczynkowy o natężeniu zaledwie 4µA, utrzymując stan gotowości. Aby zainicjować działanie w trybie rezerwowym, superkondensator musi być w pełni naładowany.

Po odłączeniu głównego zasilania i pełnym naładowaniu superkondensatora, regulator zapobiega spadkowi napięcia systemu poniżej ustawionego napięcia roboczego podtrzymania systemu (VBACKUP). Odbywa się to poprzez podwyższenie napięcia rozładowania superkondensatora do wartości VSYS, czyli regulowanego napięcia systemu. Podczas pracy w trybie rezerwowym, urządzenie MAX38889 wykorzystuje adaptacyjny schemat sterowania czasem włączenia i modulacją częstotliwości impulsów (PFM) z ograniczeniem prądowym.

Zewnętrzne wtyki regulatora umożliwiają sterowanie różnymi ustawieniami, takimi jak maksymalne napięcie superkondensatora (VCAPMAX), VSYS oraz szczytowy prąd ładowania i rozładowania cewki indukcyjnej.

Urządzenie MAX38889 posiada funkcję rzeczywistego wyłączenia, która odłącza wtyk SYS od wtyku CAP i zabezpiecza przed zwarciem SYS, jeżeli VCAP > VSYS. Ładowanie i zasilanie rezerwowe można wyłączyć, ustawiając stan niski odpowiednio na wtykach ENC i ENB (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Zewnętrzne wtyki urządzenia MAX38889 pozwalają na ustawienie maksymalnego napięcia superkondensatora VCAPMAX, VSYS, a także szczytowego prądu ładowania i rozładowania cewki indukcyjnej. Status systemu zasilania rezerwowego można monitorować za pomocą wskaźnika RDY. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Status systemu rezerwowego można monitorować za pomocą dwóch wyjść statusowych: wskaźnika statusu gotowości (RDY), który sygnalizuje naładowanie superkondensatora oraz wskaźnika statusu zasilania rezerwowego (BKB), który sygnalizuje pracę w trybie zasilania rezerwowego.