Entwicklung einer einfachen und kompakten USV auf der Basis eines Superkondensators

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ist für Anwendungen wie den Schutz von Daten in einem redundanten Array unabhängiger Speicher (RAID), die Telemetrie in der Automobiltechnik für Sicherheitszwecke und Geräte zur Verabreichung von Medikamenten wie Insulinpumpen in der Gesundheitspflege unerlässlich.

Die Entwicklung einer USV kann jedoch eine Herausforderung sein, insbesondere wenn der Platz begrenzt ist. Darüber hinaus ist eine sorgfältige Planung für die vielen Anwendungen erforderlich, die keine Energieströme vom Speichersystem zurück zum Netzteil vertragen.

Diese Herausforderungen können durch einen integrierten Ansatz, bei dem mehrere Wandler und Ladeschaltungen durch ein einziges Bauteil ersetzt werden, verringert werden. Dieser integrierte Ansatz vereinfacht das Schaltungsdesign und erleichtert es, sicherzustellen, dass während des Backup-Betriebs kein Strom zurück zur Stromversorgung fließt.

Dieser Artikel beschreibt die Herausforderungen bei der Entwicklung von USVs und stellt eine konventionelle Lösung vor. Der Artikel stellt dann eine vereinfachte, integrierte Alternative vor, die auf einem Buck-Boost-Schaltregler von Analog Devices basiert.

Verwendung eines Superkondensators als Energiereservoir

Abbildung 1 zeigt einen konventionellen Ansatz für den Aufbau einer USV. In diesem Beispiel versorgt die USV einen 24-Volt-Gleichstromsensor (V_DC) . Die Sensorschaltung benötigt einen 3,3- und einen 5-Volt-Eingang. Die USV verwendet einen Linearregler, um einen Superkondensator zu laden, wenn die Systemspannung verfügbar ist. Fällt die Systemspannung ab, wird die Energie im Kondensator mit einem Aufwärtsregler auf das erforderliche Versorgungsspannungsniveau angehoben.

Abbildung 1: Diese USV lädt einen Superkondensator auf, wenn die Systemspannung normal ist, und nutzt diese Energie, wenn die Systemspannung abfällt. (Bildquelle: Analog Devices)

Wird die 24-Volt-Versorgung auch für andere Schaltkreise als die Sensoren verwendet, sollte der Superkondensator so eingebaut werden, dass er nur den Sensorschaltkreis versorgt und nicht die andere mit der 24-Volt-Leitung verbundene Elektronik. Die Diode „D“ verhindert dies, wenn sich die Schaltung im Backup-Modus befindet.

Dieses System funktioniert gut, kann aber schwierig zu realisieren sein, da es mehrere Spannungswandler verwendet. Es kann auch eine Herausforderung sein, wenn der Platz begrenzt ist. Abbildung 2 veranschaulicht ein alternativer Ansatz. Bei diesem Ansatz wird ein einziger Backup-Regler verwendet, um die mehreren Regler in der in Abbildung 1 gezeigten Schaltung zu ersetzen, was Platz spart und den Entwurf vereinfacht.

Abbildung 2: Ein integrierter Backup-Regler macht USV-Designs einfacher und kompakter. (Bildquelle: Analog Devices)

Eine integrierte Backup-Lösung

Das in Abbildung 2 dargestellte Designkonzept kann mit dem Abwärts-Aufwärts-Schaltregler MAX38889 von Analog Devices realisiert werden. Dies ist ein flexibler und kompakter Speicherkondensator- oder Kondensatorbank-Backup-Regler zur effizienten Energieübertragung zwischen einem Speicherelement und einer Systemversorgungsschiene. Er misst 3 x 3 Millimeter (mm) und liefert 2,5 bis 5,5 Volt (V_SYS) bei einem maximalen Strom von 3 Ampere (A) (I_SYSMAX) aus einem Superkondensatoreingang (V_CAP) von 0,5 bis 5,5 Volt (Abbildung 3). Der Betriebstemperaturbereich des Reglers beträgt -40°C bis +125°C.

Abbildung 3: Bei einer USV, die auf dem MAX38889 basiert, hängt I_SYSMAX für eine bestimmte Spannung V_SYS von V_CAP ab. (Bildquelle: Analog Devices)

Wenn die Hauptstromversorgung vorhanden ist und ihre Spannung über dem Mindestschwellenwert für die Systemversorgungsspannung liegt, arbeitet der Regler im Lademodus und lädt den Superkondensator mit einem maximalen Spitzenstrom von 3 A und einem durchschnittlichen Strom von 1,5 A durch die Induktivität auf. Sobald der Superkondensator vollständig aufgeladen ist, zieht er einen Ruhestrom von nur 4 Mikroampere (µA), während er in einem betriebsbereiten Zustand bleibt. Der Superkondensator muss vollständig aufgeladen sein, um den Backup-Betrieb zu ermöglichen.

Wenn die Hauptstromversorgung unterbrochen und der Superkondensator vollständig aufgeladen ist, verhindert der Regler, dass das System unter die eingestellte System-Backup-Betriebsspannung (V_BACKUP) abfällt. Dazu wird die Entladespannung des Superkondensators auf V_SYS, die geregelte Systemspannung, angehoben. Im Backup-Betrieb verwendet der MAX38889 ein adaptives, zeit- und strombegrenztes Pulsfrequenzmodulations(PFM)-Steuerschema.

Über die externen Pins des Reglers lassen sich verschiedene Einstellungen vornehmen, z. B. die maximale Superkondensatorspannung (V_CAPMAX),V_SYS und der Spitzenladungs- und -entladungsstrom durch die Induktivität.

Der MAX38889 implementiert eine True-Shutdown-Funktion, die SYS von CAP trennt und vor einem SYS-Kurzschluss schützt, wenn V_CAP > V_SYS. Lade- und Backup-Betrieb können deaktiviert werden, indem die ENC- bzw. ENB-Pins auf Low-Potential gehalten werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die externen Pins des MAX38889 ermöglichen die Einstellung der maximalen Superkondensatorspannung V_CAPMAX, V_SYS und des Spitzenladungs- und -entladungsstroms; der Status des Backup-Systems kann über das RDY-Flag überwacht werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Der Status des Backup-Systems kann über zwei Statusausgänge überwacht werden: das Ready-Status-Flag (RDY), das anzeigt, wann der Superkondensator geladen ist, und das Backup-Status-Flag (BKB), das den Backup-Betrieb anzeigt.

Auswahl des Superkondensators

Abbildung 5 zeigt eine vereinfachte Anwendungsschaltung für die USV auf der Basis des MAX38889. V_CAPMAX wird während des Ladevorgangs durch den Widerstandsteiler bestimmt, der den FBCH-Pin steuert. In diesem Beispiel stellen die Widerstandswerte R1 = 1,82 Megaohm (MΩ), R2 = 402 Kiloohm (kΩ) und R3 = 499 kΩ sicher, dass der V_CAPMAX auf 2,7 Volt eingestellt ist. Der Superkondensator wird mit einem maximalen Spitzenstrom von 3 A und einem durchschnittlichen Induktionsstrom von 1,5 A geladen. Während der Entladung beträgt der Spitzenstrom der Induktivität 3 A.

Abbildung 5: Gezeigt wird eine vereinfachte Anwendungsschaltung für eine USV, die auf dem MAX38889 basiert. Der Superkondensator wird mit einem maximalen Spitzenstrom von 3 A und einem durchschnittlichen Induktionsstrom von 1,5 A geladen. Während der Entladung beträgt der Spitzenstrom der Induktivität 3 A. (Bildquelle: Analog Devices)

Bei der Auswahl des Superkondensators für den Backup-Betrieb ist Vorsicht geboten. Wenn die Hauptstromquelle ausfällt, wird die Last durch den MAX38889 im Backup- oder Boost-Modus versorgt, wobei der Superkondensator als Energiequelle dient. Die Leistung, die der Superkondensator bei seiner Mindestversorgungsspannung liefern kann, muss größer sein als der Bedarf des Systems.

Der MAX38889 belastet den Superkondensator mit einer konstanten Leistung, so dass ihm weniger Strom entnommen wird, wenn er nahe V_CAPMAX arbeitet. Der Strom, der dem Superkondensator entnommen wird, steigt jedoch beim Entladen (und die Spannung sinkt), um eine konstante Leistung für die Last zu gewährleisten. Die im Backup-Modus benötigte Energie ist das Produkt aus der kontinuierlichen Backup-Leistung (V_SYS x I_SYS) und der Dauer des Backup-Betriebs (T_BACKUP).

Die im Superkondensator (C_SC) verfügbare Energiemenge in Joule (J) wird nach Gleichung 1 berechnet:

 Gleichung 1

Die Energiemenge, die für die Durchführung des Backup-Vorgangs erforderlich ist, wird anhand von Gleichung 2 berechnet:

 Gleichung 2

Dabei ist I_SYS der Laststrom während der Sicherung.

Da die für die Last während des Backup-Ereignisses benötigte Energie vom Superkondensator geliefert wird, wird unter der Annahme eines Umwandlungswirkungsgrads (η) und angesichts eines erforderlichen T_BACKUP der erforderliche C_SC-Wert in Farad (F) mit Hilfe von Gleichung 3 bestimmt:

 Gleichung 3

Anhand des in Abbildung 5 dargestellten Anwendungsschaltkreises und unter der Annahme einer Systemlast von 200 Milliampere (mA), eines durchschnittlichen Wirkungsgrads von 93 % und einer Backup-Zeit von 10 Sekunden (s) ergibt sich der folgende Mindestwert für den erforderlichen Superkondensator:

 Gleichung 4

Abbildung 6 zeigt die Lade- und Entladekurven für die in Abbildung 5 dargestellte Anwendungsschaltung.

Abbildung 6: Lade- und Entladekurven für die in Abbildung 5 dargestellte Anwendungsschaltung. V_SYS = 3,6 Volt, V_CAP = 2,7 Volt, V_BACKUP = 3 Volt. (Bildquelle: Analog Devices)

Erste Schritte mit einem Evaluierungsboard

Das Evaluierungsboard MAX38889AEVKIT# für das Leistungsmanagement von Kondensatorladegeräten bietet eine flexible Schaltung zur Evaluierung des Buck-Boost-Backup-Reglers und zum Testen einer auf dem MAX38889 und einem Superkondensator basierenden USV. Externe Komponenten ermöglichen eine breite Palette von System- und Superkondensatorspannungen sowie Lade- und Entladeströmen.

Das Board enthält drei Shunts: ENC (Laden aktiviert), ENB (Backup aktiviert) und LOAD (Abbildung 7). Wenn der ENC-Shunt auf Position 1-2 gesetzt wird, wird der Ladevorgang aktiviert, wenn V_SYS über der Ladeschwelle liegt. Wenn der ENB-Shunt auf Position 1-2 gesetzt wird, wird das Backup aktiviert, wenn V_SYS unter den Backup-Schwellenwert fällt. Der LOAD-Shunt kann auf Position 1-2 gesetzt werden, um einen Testmodus zu aktivieren, bei dem eine 4,02Ω-Last zwischen V_SYS und Masse angeschlossen wird, um ein Entladungsszenario zu simulieren. Das Board geht in den normalen Betriebsmodus über, wenn der Shunt nur an einem Pin angeschlossen ist.

Abbildung 7: Das MAX38889AEVKIT bietet eine flexible Schaltung zur Evaluierung des Superkondensator-Abwärts-Aufwärts-Reglers MAX38889. (Bildquelle: Analog Devices)

Wenn die Hauptbatterie mehr als die zum Laden erforderliche Mindestspannung liefert, lädt der Regler MAX38889 den Superkondensator mit einem durchschnittlichen Strom von 1,5 A. Bei V_FBCH = 0,5 Volt und den Widerständen R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ und R3 = 1,82 MΩ ist V_CAPMAX = 2,7 Volt.

Die Spannung V_BACKUP des EVKIT wird durch die Widerstände R5 (1,21 MΩ) und R6 (1,82 MΩ) auf 3 Volt eingestellt, wobei V_FBS = 1,2 Volt ist. Wenn die Hauptbatterie entfernt wird und V_FBS auf 1,2 Volt fällt, zieht der MAX38889 Strom aus dem Superkondensator und regelt V_SYS auf V_BACKUP.

Das MAX38889A-EVKIT bietet einen RDY-Testpunkt zur Überwachung des Ladezustands des Superkondensators. Der RDY-Testpunkt liefert einen High-Pegel, wenn die Spannung am FBCR-Pin den FBCR-Spannungsschwellenwert von 0,5 Volt (eingestellt durch R1, R2 und R3) überschreitet. Das bedeutet, dass RDY auf High-Pegel gezogen wird, wenn V_CAP 1,5 Volt überschreitet. Ähnlich verhält es sich, wenn der Superkondensator sich im Backup-Betrieb befindet: Das RDY-Flag wird auf Low-Pegel gezogen, wenn der Superkondensator weniger als 1,5 Volt liefert.

Das EVKIT bietet auch einen BKB-Testpunkt zur Überwachung des System-Backup-Status. Der BKB wird auf Low-Pegel gezogen, wenn das System Backup-Strom liefert, und wird auf High-Pegel gezogen, wenn das System geladen wird oder sich im Ruhezustand befindet.

Ein Widerstand (R4) stellt den Spitzenstrom der Induktivität zwischen ISET und Masse (GND) ein. Mit einem Widerstandswert von 33 kΩ wird der Spitzenstrom der Induktivität gemäß der folgenden Formel auf 3 A eingestellt: Ladespitzenstrom (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (Abbildung 8).

Abbildung 8: Die Abbildung zeigt ein Schaltbild des MAX38889-Evaluierungsboards; es arbeitet mit einem 11F-Superkondensator und bietet Testpunkte zur Überwachung von V_CAP, V_SYS, RDY und BKB. (Bildquelle: Analog Devices)

Fazit

Ein Superkondensator kann als Energiespeicherelement für eine USV verwendet werden. Herkömmliche USV-Topologien verwenden mehrere Spannungsregler, die viel Platz beanspruchen und daher Probleme bei der Entwicklung verursachen. Ein Ansatz mit integriertem Abwärts-Aufwärts-Regler (Buck-Boost-Regler) erleichtert diese Herausforderungen, indem er mehrere Wandler und Ladeschaltungen durch eine einzige kompakte Komponente ersetzt.