Suunnittele superkondensaattoriin perustuva yksinkertainen ja kompakti UPS

Keskeytymätön virransyöttö (UPS) on elintärkeää sellaisissa sovelluksissa kuten datan suojauksessa RAID (Redundant Array of Independent Disks) -tallennuksissa, turvallisuustoimintoihin käytettävässä autojen telemetriassa ja terveydenhoidon lääkeannostelulaitteissa, kuten insuliinipumpuissa.

UPS:n suunnittelu voi kuitenkin olla haastavaa, varsinkin jos tilaa on rajoitetusti. Lisäksi huolellista suunnittelua tarvitaan monissa sellaisissa sovelluksissa, joissa energia ei saa virrata varastointijärjestelmästä takaisin virtalähteeseen.

Näitä suunnitteluhaasteita voidaan helpottaa harkitsemalla integroitua lähestymistapaa, jossa useat muuntimet ja latauspiirit korvataan yhdellä ainoalla komponentilla. Tämä integroitu lähestymistapa yksinkertaistaa piirisuunnittelua ja helpottaa varmistamaan, ettei akuista virtaa sähköä takaisin virtalähteeseen.

Tässä artikkelissa kuvaillaan UPS-suunnittelun haasteita ja esitetään perinteinen ratkaisu. Sen jälkeen artikkelissa esitellään yksinkertaistettu, integroitu Analog Devices -yrityksen jännitteenalennus-jännitteenkorotus-hakkuriregulaattoriin perustuva vaihtoehto.

Superkondensaattorin käyttö energiavarastona

Kuva 1 näyttää perinteisen lähestymistavan UPS-suunnittelussa. Tässä esimerkissä UPS käyttää 24 DC-volttia (V_DC) ja syöttää virtaa anturille. Anturipiiri vaatii 3,3 ja 5 voltin tulon. UPS käyttää lineaariregulaattoria superkondensaattorin lataamiseen, kun järjestelmäjännite on käytettävissä. Jos järjestelmäjännite laskee, kondensaattoriin varattu energia nostetaan tarvittavalle syöttöjännitetasolle jännitteenkorotusregulaattorilla.

Kuva 1: Tämä UPS lataa superkondensaattorin järjestelmäjännitteen ollessa normaali ja käyttää superkondensaattorin energiaa järjestelmäjännitteen laskiessa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Jos 24 voltin syöttöjännitettä käytetään myös muiden piirielementtien kuin antureiden virransyöttöön, superkondensaattori tulisi asentaa siten, että se syöttää virtaa vain anturipiiriin eikä muuhun 24 voltin verkkoon liittyvään elektroniikkaan. Diodi ”D” estää tämän, kun piiri käyttää superkondensaattorin varausta.

Tämä järjestelmä toimii hyvin, mutta voi olla vaikea toteuttaa, koska siinä käytetään useita jännitemuuntimia. Se voi olla haaste myös silloin, kun tilaa on rajoitetusti. Kuvassa 2 esitetään vaihtoehtoinen lähestymistapa. Tässä lähestymistavassa käytetään yhtä ainutta varavirtaregulaattoria korvaamaan kuvan 1 piirissä olevat useat regulaattorit, mikä säästää tilaa ja yksinkertaistaa suunnittelua.

Kuva 2: Integroitu varavirtaregulaattori tekee UPS-toteutuksista yksinkertaisempia ja kompaktimpia. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Integroitu varavirtaratkaisu

Kuvassa 2 esitetty ratkaisukonsepti voidaan toteuttaa käyttämällä Analog Devices -yrityksen jännitteenalennus-jännitteenkorotus-hakkuriregulaattoria MAX38889. Se on monipuolinen ja kompakti varauskondensaattoriin tai kondensaattoriryhmään pohjautuva varavirtaregulaattori, jonka avulla virtaa voidaan siirtää tehokkaasti varauselementin ja järjestelmäjännitteen välillä. Sen mitat ovat 3 x 3 millimetriä (mm), ja se syöttää 2,5–5,5 volttia (V_SYS) 3 ampeerin (A) maksimivirralla (I_SYSMAX) 0,5–5,5 voltin superkondensaattoritulosta (V_CAP) (kuva 3). Regulaattorin käyttölämpötila-alue on −40 °C ... +125 °C.

MAX38889-regulaattoriin perustuvan UPS:n I_SYSMAX-arvo tietyllä V_SYS-arvolla on riippuvainen V_CAP-arvosta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kun päävirransyöttö on käytettävissä ja sen jännite ylittää järjestelmän syöttöjännitteen vähimmäiskynnyksen, regulaattori lataa superkondensaattoria enimmäisinduktorivirralla 3 A ja keskimääräisellä virralla 1,5 A. Kun superkondensaattori on ladattu täyteen, sen lepovirran kulutus on vain 4 mikroampeeria (µA) valmiustilassa. Superkondensaattorin täytyy olla täyteen ladattu, jotta varavirtakäyttö olisi mahdollista.

Kun päävirransyöttö katkeaa ja superkondensaattori on täyteen ladattu, regulaattori estää järjestelmän jännitettä laskemasta varavirralle määritetyn käyttöjännitteen (V_BACKUP) alle. Se tekee tämän nostamalla superkondensaattorin purkausjännitteen V_SYS-arvoon, joka on säädetty järjestelmäjännite. MAX38889-regulaattori käyttää superkondensaattoria purettaessa adaptiivista ja virtarajoitettua on-time-ohjausjärjestelmää pulssitaajuusmodulaatiolla (PFM).

Regulaattorin ulkoiset nastat tarjoavat sellaisia asetuksia kuten superkondensaattorin maksimijännite (V_CAPMAX), V_SYS-jännite sekä induktorin enimmäislataus- ja purkausvirta.

MAX38889 toteuttaa True Shutdown -toiminnon, joka erottaa SYS-jännitteen CAP-jännitteestä ja suojaa SYS-oikosululta, jos V_CAP > V_SYS. Lataaminen ja superkondensaattorin purkaminen voidaan deaktivoida pitämällä ENC- ja ENB-nastat alhaalla (kuva 4).

Kuva 4: MAX38889-regulaattorin ulkoiset nastat mahdollistavat superkondensaattorin enimmäisjännitteen V_CAPMAX, V_SYS-jännitteen ja induktorin enimmäislataus- ja purkausvirran asetukset. Varavirtajärjestelmän tilaa voi monitoroida RDY-lipun kautta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Varavirtajärjestelmän tilaa voi monitoroida kahden tilalähdön kautta: valmiustilan (RDY) lippu ilmaisee, milloin superkondensaattori on ladattu, ja varavirtajärjestelmän tilan (BKB) lippu ilmoittaa kun sitä puretaan.

Superkondensaattorin valinta

Kuva 5 näyttää yksinkertaistetun MAX38889-regulaattoriin perustuvan UPS-sovelluspiirin. FBCH-nastaa ohjaava vastusjakaja määrää V_CAPMAX-jännitteen latauksen aikana. Tässä esimerkissä vastusarvot R1 = 1,82 megaohmia (MΩ), R2 = 402 kilo-ohmia (kΩ) ja R3 = 499 kΩ varmistavat, että V_CAPMAX on asetettu 2,7 volttiin. Superkondensaattori ladataan induktorin enimmäisvirralla 3 A ja keskimääräisellä virralla 1,5 A. Purkauksen aikana induktorin enimmäisvirta on 3 A.

Kuva 5: Kuvassa on MAX38889-regulaattoriin perustuvan UPS:n yksinkertaistettu sovelluspiiri. Superkondensaattori ladataan induktorin enimmäisvirralla 3 A ja keskimääräisellä virralla 1,5 A. Purkauksen aikana induktorin enimmäisvirta on 3 A. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Superkondensaattorin valinta varavirtakäyttöön vaatii huolellisuutta. Kun päävirransyöttö katkeaa, MAX38889-regulaattori syöttää kuormitusvirtaa varavirta- tai jännitteenkorotustilassa käyttämällä superkondensaattoria energialähteenä. Tehon, jonka superkondensaattori voi syöttää pienimmällä regulointisyöttöjännitteellä, on oltava suurempi kuin järjestelmän tarvitsema teho.

MAX38889-regulaattori kuormittaa superkondensaattoria vakioteholla, jolloin sen kautta kulkee vähemmän virtaa, kun se toimii lähellä V_CAPMAX-jännitettä. Superkondensaattorista saatu virta kuitenkin kasvaa sen purkautuessa (ja jännitteen laskiessa), jotta kuormitusteho pysyisi vakiona. Superkondensaattorista purettava energia on jatkuvan purkutehon (V_SYS x I_SYS) ja purun kestoajan (T_BACKUP) tulo.

Superkondensaattorissa (C_SC) käytettävissä oleva energiamäärä jouleina (J) lasketaan yhtälön 1 avulla:

 Yhtälö 1

Varavirtakäyttöön tarvittava energiamäärä lasketaan yhtälön 2 avulla:

 Yhtälö 2

Jossa I_SYS on kuormitusvirta superkondensaattoria purettaessa.

Koska superkondensaattori syöttää kuorman vaatiman energian pääviransyötön ollessa katkaistuna, olettamalla muuntotehokkuus (η) ja tarvittava T_BACKUP-arvo, C_SC-arvo faradeina (F) määritetään yhtälön 3 avulla:

 Yhtälö 3

Kun kuvassa 5 esitettyä sovelluspiiriä käytetään esimerkkinä ja oletetaan, että järjestelmän kuormitus on 200 milliampeeria (mA), keskimääräinen hyötysuhde on 93 % ja varavirtakäytön aika on 10 sekuntia (s), tarvittava superkondensaattorin vähimmäisarvo on:

 Yhtälö 4

Kuva 6 näyttää kuvassa 5 esitetyn sovelluspiirin lataus- ja purkauskuvaajat.

Kuva 6: Kuvassa 5 esitetyn sovelluspiirin lataus- ja purkauskuvaajat. V_SYS = 3,6 volttia, V_CAP = 2,7 volttia, V_BACKUP = 3 volttia. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Aloittaminen arviointialustalla

Kondensaattorilaturin virranhallinnan arviointialusta MAX38889AEVKIT# tarjoaa monipuolisen piirin jännitteenalennus-jännitteenkorotus-varavirtaregulaattorin evaluointiin sekä MAX38889-regulaattoriin ja superkondensaattoriin perustuvan UPS:n testaukseen. Ulkoiset komponentit mahdollistavat laajan valikoiman järjestelmä- ja superkondensaattorijännitteitä sekä lataus- ja purkausvirtoja.

Piirilevy sisältää kolme hyppyjohdinta: ENC (lataus sallittu), ENB (varavirta sallittu) ja LOAD (kuva 7). Kun ENC-hyppyjohdin on asennossa 1–2, lataus on sallittua, kun V_SYS ylittää latauskynnyksen. Kun ENB-hyppyjohdin on asennossa 1–2, varavirta on sallittua, kun V_SYS alittaa varavirtakynnyksen. LOAD-hyppyjohdin voidaan asettaa asentoon 1–2 testaustilaan siirtymiseksi, jolloin 4,02 ohmin (Ω) kuorma yhdistetään V_SYS-jännitteen ja maan väliin simuloimaan purkausskenaariota. Alusta siirtyy normaaliin toimintatilaan, jos hyppyjohdin on yhdistetty vain yhteen nastaan.

Kuva 7: MAX38889AEVKIT-arviointialusta tarjoaa monipuolisen piirin superkondensaattorin jännitteenalennus-jännitteenkorotus-varavirtaregulaattorin MAX38889 evaluointia varten. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kun pääakku tuottaa enemmän kuin lataukseen tarvittavan järjestelmän vähimmäisjännitteen, MAX38889-regulaattori lataa superkondensaattoria 1,5 A:n (keskiarvo) virralla. Kun V_FBCH = 0,5 volttia ja vastukset R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ ja R3 = 1,82 MΩ, silloin V_CAPMAX = 2,7 volttia.

EVKIT-arviointialustan V_BACKUP-jännitteeksi asetetaan 3 volttia vastuksilla R5 (1,21 MΩ) ja R6 (1,82 MΩ), kun V_FBS = 1,2 volttia. Tämä määrittää sen, että kun pääakku poistetaan ja V_FBS laskee 1,2 volttiin, MAX388899-regulaattori ottaa virran superkondensaattorista ja säätää V_SYS-jännitteen V_BACKUP-jännitteeseen.

MAX38889A EVKIT -arviointialusta tarjoaa RDY-testipisteen superkondensaattorin varaustilan monitorointia varten. RDY-testipiste on ylhäällä, kun FBCR-nastan jännite ylittää 0,5 voltin FBCR-kynnysjännitteen (asetetaan vastuksilla R1, R2 ja R3). Tämä tarkoittaa, että RDY nousee ylös, kun V_CAP ylittää 1,5 volttia. Vastaavasti kun superkondensaattorin varausta puretaan, RDY-lippu laskee alas, kun superkondensaattorin jännite laskee alle 1,5 voltin.

EVKIT-arviointialusta tarjoaa myös BKB-testipisteen järjestelmän varavirtatilan monitorointia varten. BKB vedetään alas, kun järjestelmä syöttää varavirtaa, ja se vedetään ylös, kun järjestelmää ladataan tai se on lepotilassa.

ISET-nastan ja maan (GND) välissä sijaitseva vastus (R4) asettaa induktorin enimmäisvirran. Vastuksen arvo 33 kΩ asettaa induktorin enimmäisvirraksi 3 A seuraavan kaavan mukaisesti: enimmäislatausvirta (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (kuva 8).

Kuva 8: Kuvassa on kaavio MAX38889-arviointialustasta. Se käyttää 11 F:n superkondensaattoria ja tarjoaa testipisteet V_CAP-, V_SYS-, RDY- ja BKB-arvojen monitorointiin. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Yhteenveto

Superkondensaattoria voidaan käyttää UPS:n energianvarauselementtinä. Tavanomaisissa UPS-topologioissa käytetään useita jänniteregulaattoreita, jotka vievät paljon tilaa, mikä tekee niiden suunnittelusta hankalaa. Integroidun jännitteenalennus-jännitteenkorotus-hakkuriregulaattorin käyttö helpottaa näitä suunnitteluhaasteita korvaamalla useat muuntimet ja latauspiirit yhdellä kompaktilla komponentilla.