設(shè)計基于超級電容器的簡單而緊湊的 UPS

作者：Steven Keeping

不間斷電源 (UPS) 在許多應(yīng)用中扮演著重要的角色，例如，獨立磁盤冗余陣列 (RAID) 存儲中的數(shù)據(jù)保護(hù)、用于安全操作的汽車遙測系統(tǒng)，以及醫(yī)療保健行業(yè)的胰島素泵等給藥器械。

然而，設(shè)計 UPS 可能具有挑戰(zhàn)性，特別是在空間有限的情況下。此外，對于許多無法承受電能從存儲系統(tǒng)流回電源的應(yīng)用而言，還需要進(jìn)行精心設(shè)計。

考慮采用集成方法，將多個轉(zhuǎn)換器和充電電路替換成單個元器件，便可降低此類設(shè)計的難度。這種集成方法可簡化電路設(shè)計，更易于確保在備用電源運行期間沒有電流流回電源。

本文概述了 UPS 設(shè)計難點并介紹了一種傳統(tǒng)解決方案。隨后，本文介紹了一種簡化的集成式替代方法，該方法基于 [Analog Devices]的降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器。

使用超級電容器作為儲能器

圖 1 顯示了一種傳統(tǒng)的 UPS 設(shè)計方法。在此示例中，UPS 為 24 V直流傳感器供電。該傳感器的電路需要 3.3 V 和 5 V 輸入。當(dāng)系統(tǒng)電壓可用時，UPS 使用線性穩(wěn)壓器為超級電容器充電。如果系統(tǒng)電壓下降，電容器中的電能就會通過升壓穩(wěn)壓器升至所需的供電電壓水平。

圖 1：該 UPS 在系統(tǒng)電壓正常時為超級電容器充電，在系統(tǒng)電壓下降時汲取其中的電能。（圖片來源：Analog Devices）

如果 24 V 電源還用于為傳感器以外的其他電路元件供電，則應(yīng)并入超級電容器，使其僅為傳感器電路供電，而不為與 24 V 線路相關(guān)的其他電子設(shè)備供電。當(dāng)電路處于備用模式時，二極管“D”可防止發(fā)生這種情況。

雖然這種系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好，但可能難以實施，因為它需要使用多個電壓轉(zhuǎn)換器。此外，如果空間有限，可能也是一項挑戰(zhàn)。圖 2 顯示了另一種替代方法。該方法采用單個備用穩(wěn)壓器來替代圖 1 所示電路中的多個穩(wěn)壓器，不僅能節(jié)省空間，還能簡化設(shè)計。

圖 2：集成式備用穩(wěn)壓器可使 UPS 的設(shè)計更加簡單和緊湊。（圖片來源：Analog Devices）

集成式備用解決方案

圖 2 所示的設(shè)計理念可通過 Analog Devices 的 [MAX38889]降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器來實現(xiàn)。這是一款靈活而緊湊的儲能電容器或電容器組備用穩(wěn)壓器，可在存儲元件與系統(tǒng)電源軌之間有效地傳輸電能。該器件尺寸為 3 x 3 mm，從 0.5 至 5.5 V 的超級電容器輸入 (V 帽 )，在 3 A 最大電流 (I系統(tǒng)MAX) 下可產(chǎn)生 2.5 至 5.5 V 的輸出 (V 系統(tǒng) )（圖 3）。該穩(wěn)壓器的工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。

圖 3：對于基于 MAX38889 的 UPS，給定 V系統(tǒng)目標(biāo)一系統(tǒng)MAX 取決于 V 帽 。（圖片來源：Analog Devices）

當(dāng)主電源接通且其電壓高于系統(tǒng)供電電壓最小閾值時，該穩(wěn)壓器能以最大 3 A 的峰值電流和 1.5 A 的平均電感電流為超級電容器充電。超級電容器充滿電后，在保持就緒狀態(tài)時，靜態(tài)電流只有 4 μA。超級電容器在作為備用電源運行前必須達(dá)到滿充狀態(tài)。

當(dāng)主電源斷開且超級電容器充滿電時，該穩(wěn)壓器可防止系統(tǒng)降至設(shè)定的系統(tǒng)備用工作電壓 (V 備份 ) 以下。該器件通過使超級電容器放電電壓升至 V 系統(tǒng) （即穩(wěn)壓系統(tǒng)電壓）來實現(xiàn)此目的。在備用電源運行期間，MAX38889 采用自適應(yīng)導(dǎo)通時間和限流脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 控制方案。

穩(wěn)壓器的外部引腳可控制各種設(shè)置，例如最大超級電容器電壓 (V帽MAX)、V 系統(tǒng) ，以及峰值電感充電和放電電流。

MAX38889 具有真關(guān)斷功能，可將 SYS 與 CAP 斷開，并在 V帽大于 V系統(tǒng)時防止 SYS 短路。通過分別使 ENC 和 ENB 引腳保持低電平，可禁用充電和備用功能（圖 4）。

圖 4：通過 MAX38889 的外部引腳可設(shè)置最大超級電容器電壓 V帽最大、V 系統(tǒng) ，以及峰值電感充電和放電電流；備用系統(tǒng)狀態(tài)可通過 RDY 標(biāo)志進(jìn)行監(jiān)控。（圖片來源：Analog Devices）

備用系統(tǒng)狀態(tài)可通過兩個狀態(tài)輸出進(jìn)行監(jiān)控：就緒狀態(tài) (RDY) 標(biāo)志（指示超級電容器的充電時間）和備用狀態(tài) (BKB) 標(biāo)志（指示備用電源運行狀態(tài)）。

超級電容器選型

圖 5 顯示了基于 MAX38889 的 UPS 的簡化應(yīng)用電路。充電期間，V帽MAX 由驅(qū)動 FBCH 引腳的電阻分壓器決定。在此示例中，電阻值 R1 = 1.82 MΩ、R2 = 402 kΩ 和 R3 = 499 kΩ 可確保 V帽MAX 設(shè)置為 2.7 V。超級電容器以最大 3 A 的峰值和 1.5 A 的平均電感電流充電。放電期間，峰值電感電流為 3 A。

圖 5：圖示為基于 MAX38889 的 UPS 的簡化應(yīng)用電路。超級電容器以最大 3 A 的峰值和 1.5 A 的平均電感電流充電。放電期間，峰值電感電流為 3 A。（圖片來源：Analog Devices）

在為備用電源運行選擇超級電容器時，需要格外注意。當(dāng)主電源出現(xiàn)故障時，負(fù)載功率由 MAX38889 提供，該器件利用超級電容器作為能量來源，在備用或升壓模式下運行。超級電容器在其最小調(diào)節(jié)供電電壓下可提供的功率必須大于系統(tǒng)所需的功率。

當(dāng) MAX38889 的工作電壓接近 V帽MAX 時，該器件可為超級電容器提供恒功率負(fù)載，導(dǎo)致從中汲取的電流變小。但是，當(dāng)超級電容器放電（且電壓降低）時，從中汲取的電流就會增加，以維持負(fù)載的恒功率。在備用電源運行期間 (T 備份 )，備用模式下所需的能量為連續(xù)備用功率的乘積 (V系統(tǒng)xI 系統(tǒng) )。

使用公式 1 可計算出超級電容器中可用的能量值（以焦耳 [J] 為單位）(C SC )：

官方1

使用公式 2 可計算出完成備用電源運行所需的能量值：

官方2

第一部分系統(tǒng)為備用期間的負(fù)載電流。

由于備用事件期間負(fù)載所需的能量由超級電容器提供，假設(shè)轉(zhuǎn)換效率 (η) 并給定所需的 T 備份 ，則使用公式 3 可確定所需的 CSC值（以法拉 [F] 為單位）：

官方3

以圖 5 所示的應(yīng)用電路為例，假設(shè)系統(tǒng)負(fù)載為 200 mA，平均效率為 93%，備用時間為 10 s，則所需的超級電容器最小值為：

官方4

圖 6 顯示了圖 5 所示應(yīng)用電路的充電和放電曲線。

圖 6：圖 5 所示應(yīng)用電路的充電和放電曲線。V 系統(tǒng) = 3.6V，V 帽 = 2.7V，V 備份 = 3 V。（圖片來源：Analog Devices）

著手使用評估板

[MAX38889AEVKIT#] 電容器充電器電源管理評估板提供靈活的電路，可評估降壓/升壓備用穩(wěn)壓器，并測試基于 MAX38889 和超級電容器的 UPS。外部元器件支持各種系統(tǒng)和超級電容器電壓以及充電和放電電流。

該評估板包含三個分流器：ENC（啟用充電）、ENB（啟用備用）和 LOAD（圖 7）。在 ENC 分流器設(shè)在位置 1-2 的情況下，當(dāng) V系統(tǒng)高于充電閾值時啟用充電。在 ENB 分流器設(shè)在位置 1-2 的情況下，當(dāng) V系統(tǒng)降至備用閾值以下時啟用備用。LOAD 可設(shè)為位置 1-2 以進(jìn)入測試模式，其中 4.02 Ω 負(fù)載跨接到 V 系統(tǒng) ，并接地以模擬放電場景。如果分流器僅連接到一個引腳，該評估板將進(jìn)入正常工作模式。

圖 7：MAX38889AEVKIT 提供靈活的電路，可評估 MAX38889 降壓/升壓超級電容器備用穩(wěn)壓器。（圖片來源：Analog Devices）

當(dāng)主電池提供的電壓超過充電所需的最低系統(tǒng)電壓時，MAX38889 穩(wěn)壓器以 1.5 A 的平均電流為超級電容器充電，V FBCH = 0.5 V，電阻器 R1 = 499 kΩ、R2 = 402 kΩ、R3 = 1.82 MΩ 時，V帽最大值=2.7V。

評估套件V備份由電阻器 R5 (1.21 MΩ) 和 R6 (1.82 MΩ) 設(shè)置為 3 V，V 胎牛血清 = 1.2 V。這表明當(dāng)主電池斷開且 V胎牛血清降至 1.2 V 時，MAX38889 會從超級電容器汲取電能并將 V系統(tǒng)調(diào)節(jié)至 V 備份 。

MAX38889A EVKIT 提供 RDY 測試點來監(jiān)控超級電容器充電狀態(tài)。當(dāng) FBCR 引腳電壓超過 0.5 V 的 FBCR 電壓閾值（由 R1、R2 和 R3 設(shè)置）時，RDY 測試點為高電平。這意味著當(dāng) V帽超過 1.5 V 時，RDY 會升高。同樣，在超級電容器提供備用的情況下，當(dāng)超級電容器提供的電壓低于 1.5 V 時，RDY 標(biāo)志會降低。

EVKIT 還提供 BKB 測試點來監(jiān)控系統(tǒng)備用狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)提供備用電源時，BKB 被拉低；當(dāng)系統(tǒng)正在充電或處于空閑狀態(tài)時，BKB 被拉高。

電阻器 (R4) 可設(shè)置 ISET 與接地 (GND) 之間的峰值電感器電流。根據(jù)以下公式，33 kΩ 的電阻值將峰值電感電流設(shè)置為 3 A：峰值充電電流 (I LX_CHG ) = 3 A x (33 kΩ/R4)（圖 8）。

圖 8：圖示為 MAX38889 評估板的原理圖；該器件使用 11 F 超級電容器運行，并提供測試點來監(jiān)控 V 帽 、V 系統(tǒng) 、RDY 和 BKB。（圖片來源：Analog Devices）

總結(jié)

超級電容器可用作 UPS 的儲能元件。傳統(tǒng)的 UPS 拓?fù)洳捎枚鄠€穩(wěn)壓器，這些穩(wěn)壓器需要占用大量空間，因此設(shè)計起來很棘手。采用集成式降壓/升壓穩(wěn)壓器可將多個轉(zhuǎn)換器和充電電路替換成單個緊湊型元器件，從而降低此類設(shè)計的難度。

審核編輯 黃宇