Concevoir une alimentation secourue simple et compacte, basée sur un supercondensateur

Une alimentation secourue (UPS) est vitale pour les applications telles que la protection des données dans le stockage RAID, la télémétrie automobile pour les opérations de sécurité et les dispositifs d'administration de médicaments tels que les pompes à insuline dans le secteur de la santé.

Cependant, la conception d'une alimentation secourue peut s'avérer difficile, surtout si l'espace est limité. De plus, une conception minutieuse est requise pour les nombreuses applications qui ne peuvent pas tolérer les flux d'énergie du système de stockage vers l'alimentation.

Ces défis de conception peuvent être atténués en envisageant une approche intégrée dans laquelle plusieurs convertisseurs et circuits de charge sont remplacés par un seul composant. Cette approche intégrée simplifie la conception des circuits et permet de garantir plus facilement qu'aucun courant ne reflue vers l'alimentation pendant le fonctionnement de secours.

Cet article décrit les défis de conception d'une alimentation secourue et présente une solution conventionnelle. Il présente ensuite une alternative intégrée simplifiée, basée sur un régulateur à découpage abaisseur/élévateur d'Analog Devices.

Utiliser un supercondensateur comme réservoir d'énergie

La Figure 1 montre une approche conventionnelle de la conception d'une alimentation secourue. L'alimentation secourue alimente un capteur de 24 volts CC (V_CC) dans cet exemple. Le circuit du capteur requiert une entrée de 3,3 V et une entrée de 5 V. L'alimentation secourue utilise un régulateur linéaire pour charger un supercondensateur lorsque la tension du système est disponible. Si la tension du système chute, l'énergie dans le condensateur est augmentée jusqu'au niveau de tension d'alimentation requis à l'aide d'un régulateur élévateur.

Figure 1 : Cette alimentation secourue charge un supercondensateur lorsque la tension du système est normale et utilise cette énergie lorsque la tension du système chute. (Source de l'image : Analog Devices)

Si l'alimentation 24 V est également utilisée pour alimenter d'autres éléments du circuit que les capteurs, le supercondensateur doit être incorporé de manière à alimenter uniquement le circuit du capteur et non les autres composants électroniques associés à la ligne 24 V. La diode « D » empêche que cela ne se produise lorsque le circuit est en mode de secours.

Ce système fonctionne bien mais peut être difficile à mettre en œuvre car il utilise plusieurs convertisseurs de tension. Il peut également représenter un défi si l'espace est limité. La Figure 2 illustre une approche alternative. Cette approche utilise un seul régulateur de secours pour remplacer les multiples régulateurs du circuit illustré à la Figure 1, économisant ainsi de l'espace et simplifiant la conception.

Figure 2 : Un régulateur de secours intégré rend les conceptions d'alimentations secourues plus simples et plus compactes. (Source de l'image : Analog Devices)

Une solution de secours intégrée

La conception illustrée à la Figure 2 peut être réalisée à l'aide du régulateur à découpage abaisseur/élévateur MAX38889 d'Analog Devices. Il s'agit d'un régulateur de secours flexible et compact à batterie de condensateurs ou à condensateur de stockage permettant le transfert efficace de l'énergie entre un élément de stockage et un rail d'alimentation système. Il mesure 3 millimètres (mm) x 3 mm et génère de 2,5 V à 5,5 V (V_SYS) à un courant maximum de 3 ampères (A) (I_SYSMAX) à partir d'une entrée de supercondensateur (V_CAP) de 0,5 V à 5,5 V (Figure 3). La plage de températures de fonctionnement du régulateur s'étend de -40°C à +125°C.

Figure 3 : Pour une alimentation secourue basée sur le MAX38889, la valeur I_SYSMAX pour une tension V_SYS donnée dépend de V_CAP. (Source de l'image : Analog Devices)

Lorsque l'alimentation principale est présente et que sa tension est supérieure à la tension d'alimentation système de seuil minimum, le régulateur charge le supercondensateur avec un courant d'inductance de crête maximum de 3 A et un courant d'inductance moyen de 1,5 A. Une fois que le supercondensateur est complètement chargé, il ne consomme que 4 microampères (µA) de courant de repos tout en restant dans un état opérationnel. Le supercondensateur doit être complètement chargé pour permettre le fonctionnement de secours.

Lorsque l'alimentation principale est coupée et que le supercondensateur est complètement chargé, le régulateur empêche le système de tomber en dessous de la tension de fonctionnement de secours système définie (V_BACKUP). Pour ce faire, il augmente la tension de décharge du supercondensateur à V_SYS, la tension régulée du système. Pendant le fonctionnement de secours, le MAX38889 utilise un schéma de contrôle PFM (modulation d'impulsions en fréquence) adaptatif, à temps passant et limité en courant.

Les broches externes du régulateur permettent de contrôler divers paramètres, tels que la tension maximum du supercondensateur (V_CAPMAX), la tension V_SYS et le courant de charge et de décharge d'inductance de crête.

Le MAX38889 implémente une fonctionnalité True Shutdown, déconnectant SYS de CAP et protégeant contre un court-circuit SYS si V_CAP > V_SYS. La charge et la sauvegarde peuvent être désactivées en gardant respectivement les broches ENC et ENB à l'état bas (Figure 4).

Figure 4 : Les broches externes du MAX38889 permettent de régler la tension maximum du supercondensateur V_CAPMAX, la tension V_SYS et le courant de charge et de décharge d'inductance de crête. L'état du système de secours peut être surveillé via l'indicateur RDY. (Source de l'image : Analog Devices)

L'état du système de secours peut être surveillé via deux sorties d'état : l'indicateur d'état prêt (RDY), qui indique quand le supercondensateur est chargé, et l'indicateur d'état de secours (BKB), qui indique le fonctionnement de secours.

Sélection de supercondensateurs

La Figure 5 montre un circuit d'application simplifié pour l'alimentation secourue basée sur le MAX38889. La tension V_CAPMAX pendant la charge est déterminée par le diviseur de résistance commandant la broche FBCH. Dans cet exemple, les valeurs de résistance R1 = 1,82 mégaohm (MΩ), R2 = 402 kiloohms (kΩ) et R3 = 499 kΩ garantissent que la tension V_CAPMAX est définie sur 2,7 V. Le supercondensateur est chargé avec un courant d'inductance de crête maximum de 3 A et un courant d'inductance moyen de 1,5 A. Pendant la décharge, le courant d'inductance de crête est de 3 A.

Figure 5 : Circuit d'application simplifié pour une alimentation secourue basée sur le MAX38889. Le supercondensateur est chargé avec un courant d'inductance de crête maximum de 3 A et un courant d'inductance moyen de 1,5 A. Pendant la décharge, le courant d'inductance de crête est de 3 A. (Source de l'image : Analog Devices)

Des précautions sont nécessaires lors de la sélection du supercondensateur pour le fonctionnement de secours. En cas de défaillance de la source d'alimentation principale, la puissance de charge est fournie par le MAX38889 fonctionnant en mode élévateur ou secours avec le supercondensateur comme source d'énergie. La puissance que le supercondensateur peut fournir à sa tension d'alimentation de régulation minimum doit être supérieure à celle requise par le système.

Le MAX38889 présente une charge de puissance constante vers le supercondensateur, ce qui entraîne une réduction de la consommation de courant lorsqu'il fonctionne près de V_CAPMAX. Cependant, le courant tiré du supercondensateur augmente à mesure qu'il se décharge (et que la tension chute) pour maintenir une puissance constante sur la charge. L'énergie requise en mode secours est le produit de la puissance de secours continue (V_SYS x I_SYS) sur la durée du fonctionnement de secours (T_BACKUP).

La quantité d'énergie en joules (J) disponible dans le supercondensateur (C_SC) est calculée à l'aide de l'Équation 1 :

 Équation 1

La quantité d'énergie requise pour terminer l'opération de secours est calculée à l'aide de l'Équation 2 :

 Équation 2

Où I_SYS est le courant de charge pendant la sauvegarde.

Étant donné que l'énergie requise pour la charge pendant l'événement de sauvegarde est fournie par le supercondensateur, en supposant un rendement de conversion (η) et étant donné une valeur T_BACKUP requise, la valeur C_SC requise en farads (F) est déterminée à l'aide de l'Équation 3 :

 Équation 3

En utilisant le circuit d'application illustré à la Figure 5 à titre d'exemple, et en supposant une charge système de 200 milliampères (mA), un rendement moyen de 93 % et un temps de secours de 10 secondes (s), la valeur minimum du supercondensateur requis est :

 Équation 4

La Figure 6 montre les courbes de charge et de décharge pour le circuit d'application illustré à la Figure 5.

Figure 6 : Courbes de charge et de décharge pour le circuit d'application illustré à la Figure 5. V_SYS = 3,6 V, V_CAP = 2,7 V, V_BACKUP = 3 V. (Source de l'image : Analog Devices)

Premiers pas avec une carte d'évaluation

La carte d'évaluation de gestion de l'alimentation du chargeur de condensateur MAX38889AEVKIT# fournit un circuit flexible pour évaluer le régulateur de secours abaisseur/élévateur et tester une alimentation secourue basée sur le MAX38889 et un supercondensateur. Les composants externes permettent une large gamme de tensions de système et de supercondensateur, ainsi que des courants de charge et de décharge.

La carte intègre trois shunts : ENC (charge activée), ENB (sauvegarde activée) et LOAD (Figure 7). Avec le shunt ENC réglé en position 1-2, la charge est activée lorsque V_SYS est au-dessus du seuil de charge. Avec le shunt ENB réglé en position 1-2, la sauvegarde est activée lorsque V_SYS tombe en dessous du seuil de sauvegarde. Le shunt LOAD peut être réglé sur la position 1-2 pour entrer dans un mode de test dans lequel une charge de 4,02 ohms (Ω) est connectée à V_SYS et à la terre pour simuler un scénario de décharge. La carte entre en mode de fonctionnement normal si le shunt n'est connecté qu'à une seule broche.

Figure 7 : Le MAX38889AEVKIT fournit un circuit flexible pour évaluer le régulateur de secours du supercondensateur abaisseur/élévateur MAX38889. (Source de l'image : Analog Devices)

Lorsque la batterie principale fournit plus que la tension système minimum requise pour la charge, le régulateur MAX38889 charge le supercondensateur avec un courant moyen de 1,5 A avec V_FBCH = 0,5 V et avec les résistances R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ et R3 = 1,82 MΩ, et V_CAPMAX = 2,7 V.

La tension V_BACKUP de l'EVKIT est définie sur 3 V par les résistances R5 (1,21 MΩ) et R6 (1,82 MΩ) avec V_FBS = 1,2 V. Cela signifie que lorsque la batterie principale est retirée et que V_FBS tombe à 1,2 V, le MAX38889 tire son alimentation du supercondensateur et régule V_SYS à V_BACKUP.

L'EVKIT MAX38889A fournit un point de test RDY pour surveiller l'état de charge du supercondensateur. Le point de test RDY est à l'état haut lorsque la tension de la broche FBCR dépasse le seuil de tension FBCR de 0,5 V (défini par R1, R2 et R3). Cela signifie que RDY passe à l'état haut lorsque V_CAP dépasse 1,5 V. De même, lorsque le supercondensateur fournit l'alimentation de secours, l'indicateur RDY passe à l'état bas lorsque le supercondensateur fournit moins de 1,5 V.

L'EVKIT fournit également un point de test BKB pour surveiller l'état de sauvegarde du système. BKB est à l'état bas lorsque le système fournit une alimentation de secours et à l'état haut lorsque le système est en charge ou en état d'inactivité.

Une résistance (R4) définit le courant d'inductance de crête entre ISET et la masse (GND). Une valeur de résistance de 33 kΩ définit le courant d'inductance de crête à 3 A selon la formule : courant de charge de crête (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (Figure 8).

Figure 8 : Schéma de la carte d'évaluation MAX38889 fonctionnant avec un supercondensateur de 11 F et fournissant des points de test pour surveiller V_CAP, V_SYS, RDY et BKB. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Un supercondensateur peut être utilisé comme élément de stockage d'énergie pour une alimentation secourue. Les topologies d'alimentations secourues conventionnelles utilisent plusieurs régulateurs de tension qui occupent beaucoup d'espace, ce qui rend leur conception délicate. Une approche de régulateur abaisseur/élévateur intégré atténue ces défis de conception en remplaçant plusieurs convertisseurs et circuits de charge par un seul composant compact.