Progettazione di un UPS semplice e compatto basato su un supercondensatore

Il gruppo di continuità (UPS) è fondamentale in applicazioni come la protezione dei dati nell'archiviazione su un array di dischi ridondanti indipendenti (RAID), la telemetria veicolare per le operazioni di sicurezza e i dispositivi di somministrazione di farmaci come le pompe di insulina nel settore sanitario.

Tuttavia, la progettazione di un UPS può essere impegnativa, soprattutto se lo spazio è limitato. Inoltre, è necessario prestazione attenzione alle numerose applicazioni che non possono tollerare flussi di energia dal sistema di immagazzinaggio alla rete elettrica.

Queste sfide progettuali possono essere risolte con un approccio integrato in cui più convertitori e circuiti di ricarica sono sostituiti da un unico componente. Questo approccio integrato semplifica la progettazione del circuito e assicura che non vi sia ritorno di corrente verso l'alimentazione durante il funzionamento con energia di riserva.

Questo articolo illustra le sfide di progettazione degli UPS e presenta una soluzione convenzionale. L'articolo presenta quindi un'alternativa semplificata e integrata basata su un regolatore a commutazione buck/boost di Analog Devices.

Utilizzo di un supercondensatore come serbatoio di energia

La Figura 1 mostra un approccio convenzionale alla progettazione di un UPS. In questo esempio, l'UPS alimenta un sensore a 24 V_c.c.. Il circuito del sensore richiede un ingresso da 3,3 e 5 V. L'UPS utilizza un regolatore lineare per caricare un supercondensatore quando è disponibile la tensione di sistema. Se la tensione di sistema diminuisce, l'energia contenuta nel condensatore viene portata al livello di tensione di alimentazione richiesto con un regolatore step-up.

Figura 1: Questo UPS carica un supercondensatore quando la tensione di sistema è normale e preleva l'energia quando la tensione del sistema si abbassa. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Se l'alimentazione a 24 V viene utilizzata anche per alimentare altri elementi del circuito oltre ai sensori, il supercondensatore deve essere incorporato in modo da alimentare solo il circuito dei sensori e non gli altri componenti elettronici associati alla linea a 24 V. Il diodo "D" impedisce che ciò avvenga quando il circuito è in modalità ausiliaria.

Questo sistema funziona bene, ma può essere difficile da implementare perché utilizza diversi convertitori di tensione. Può anche essere impegnativo se lo spazio è limitato. La Figura 2 illustra un approccio alternativo. Questo approccio utilizza un singolo regolatore di riserva per sostituire i regolatori multipli del circuito mostrato nella Figura 1, risparmiando spazio e semplificando il progetto.

Figura 2: Un regolatore di riserva integrato rende i progetti degli UPS più semplici e compatti. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Una soluzione di riserva integrata

Il concetto di progetto illustrato nella Figura 2 può essere realizzato utilizzando il regolatore a commutazione buck/boost MAX38889 di Analog Devices. Si tratta di un regolatore di riserva flessibile e compatto per condensatori di immagazzinaggio o banchi di condensatori per trasferire in modo efficiente l'energia tra un elemento di immagazzinaggio e un rail di alimentazione del sistema. Misura 3 x 3 mm ed eroga da 2,5 a 5,5 V_SYS con una corrente massima di 3 A (I_SYSMAX) da un ingresso supercondensatore (V_CAP) da 0,5 a 5,5 V (Figura 3). L'intervallo della temperatura di funzionamento del regolatore va da -40 a +125 °C.

Figura 3: Per un UPS basato sul MAX38889, I_SYSMAX per una data V_SYS dipende da V_CAP. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Quando l'alimentazione principale è presente e la sua tensione è superiore alla soglia minima della tensione di alimentazione del sistema, il regolatore carica il supercondensatore con una corrente induttrice massima di 3 A di picco e 1,5 A di media. Una volta che il supercondensatore è completamente carico, assorbe solo 4 µA di corrente di quiescenza mantenendosi disponibile. Il supercondensatore deve essere completamente carico per il funzionamento con energia di riserva.

Quando l'alimentazione principale viene rimossa e il supercondensatore è completamente carico, il regolatore impedisce che il sistema scenda al di sotto della tensione di funzionamento di riserva impostata (V_BACKUP). A tal fine, aumenta la tensione di scarica del supercondensatore fino a V_SYS, la tensione di sistema regolata. Durante il funzionamento di riserva, MAX38889 utilizza uno schema di controllo adattativo, con tempo di servizio e modulazione della frequenza di impulso (PFM) a corrente limitata.

I pin esterni del regolatore consentono di controllare varie impostazioni, come la tensione massima del supercondensatore (V_CAPMAX), V_SYS e la corrente di picco di carica e scarica dell'induttore.

MAX38889 implementa una funzione True Shutdown che scollega SYS da CAP e protegge da un cortocircuito di SYS se V_CAP > V_SYS. La carica e la riserva possono essere disattivate mantenendo bassi rispettivamente i pin ENC e ENB (Figura 4).

Figura 4: I pin esterni di MAX38889 consentono di impostare la tensione massima del supercondensatore V_CAPMAX, V_SYS e la corrente di picco di carica e scarica dell'induttore; lo stato del sistema di riserva può essere monitorato attraverso l'indicatore RDY. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Lo stato del sistema di riserva può essere monitorato attraverso due uscite di stato: l'indicatore di stato disponibile (RDY), che indica quando il supercondensatore è carico, e l'indicatore di stato ausiliario (BKB), che indica il funzionamento con energia di riserva.

Selezione dei supercondensatori

La Figura 5 mostra un circuito applicativo semplificato per l'UPS basato su MAX38889. V_CAPMAX durante la carica è determinato dalla dal divisore resistivo che comanda il pin FBCH. In questo esempio, i valori del resistore R1 = 1,82 MΩ, R2 = 402 kΩ e R3 = 499 kΩ garantiscono che V_CAPMAX sia impostato a 2,7 V. Il supercondensatore viene caricato con una corrente di picco massima di 3 A e una corrente induttore media di 1,5 A. Durante la scarica, la corrente induttore di picco è di 3 A.

Figura 5: Un circuito applicativo semplificato per un UPS basato su MAX38889. Il supercondensatore viene caricato con una corrente di picco massima di 3 A e una corrente induttore media di 1,5 A. Durante la scarica, la corrente induttore di picco è di 3 A. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

È necessario prestare attenzione alla scelta del supercondensatore per il funzionamento con energia di riserva. Quando la fonte di alimentazione principale si interrompe, l'alimentazione del carico è fornita da MAX38889 che opera in modalità ausiliaria o boost utilizzando come fonte di energia il supercondensatore. La potenza che il supercondensatore può erogare alla tensione di alimentazione minima di regolazione deve essere superiore a quella richiesta dal sistema.

MAX38889 presenta un carico di potenza costante al supercondensatore, che assorbe meno corrente quando funziona vicino a V_CAPMAX. Tuttavia, la corrente prelevata dal supercondensatore aumenta via via che si scarica (e la tensione diminuisce) per mantenere costante l'alimentazione del carico. L'energia richiesta in modalità ausiliaria è il prodotto della potenza di riserva continua (V_SYS x I_SYS) per la durata del funzionamento con energia di riserva (T_BACKUP).

La quantità di energia in joule disponibile nel supercondensatore (C_SC) viene calcolata utilizzando l'equazione 1:

 Equazione 1

La quantità di energia necessaria per completare l'operazione di riserva viene calcolata utilizzando l'equazione 2:

 Equazione 2

Dove I_SYS è la corrente di carico durante la riserva.

Poiché l'energia necessaria per il carico durante l'evento di riserva è fornita dal supercondensatore, assumendo un'efficienza di conversione (η) e dato un T_BACKUP richiesto, il valore di C_SC richiesto in farad è determinato mediante l'equazione 3:

 Equazione 3

Utilizzando come esempio il circuito applicativo mostrato nella Figura 5, ipotizzando un carico di sistema di 200 mA, un'efficienza media del 93% e un tempo di riserva di 10 secondi, il valore minimo del supercondensatore richiesto è:

 Equazione 4

La Figura 6 mostra le curve di carica e scarica per il circuito applicativo illustrato nella Figura 5.

Figura 6: Curve di carica e scarica per il circuito applicativo illustrato nella Figura 5. V_SYS = 3,6 V, V_CAP = 2,7 V, V_BACKUP = 3 V. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Primi passi con con una scheda di valutazione

La scheda di valutazione per gestire l'alimentazione del caricatore a condensatore MAX38889AEVKIT# è un circuito flessibile per valutare il regolatore di riserva buck/boost e collaudare un UPS basato su MAX38889 e su un supercondensatore. I componenti esterni offrono un ampio intervallo di tensioni di sistema e supercondensatore, nonché di correnti di carica e scarica.

La scheda incorpora tre shunt: ENC (abilitazione alla carica), ENB (abilitazione alla riserva) e LOAD (Figura 7). Con lo shunt ENC impostato in posizione 1-2, la carica viene attivata quando V_SYS è superiore alla soglia di carica. Con lo shunt ENB impostato in posizione 1-2, la riserva viene attivata quando V_SYS scende sotto la soglia di riserva. Lo shunt LOAD può essere impostato in posizione 1-2 per accedere a una modalità di test in cui un carico di 4,02 Ω viene collegato tra V_SYS e la massa per simulare uno scenario di scarica. La scheda entra in modalità di funzionamento normale se lo shunt è collegato a un solo pin.

Figura 7: MAX38889AEVKIT fornisce un circuito flessibile per valutare il regolatore di riserva a supercondensatore buck/boost MAX38889. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Quando la batteria principale fornisce una tensione superiore a quella minima richiesta dal sistema per la carica, il regolatore MAX38889 carica il supercondensatore con una corrente media di 1,5 A, con V_FBCH = 0,5 V, con i resistori R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ e R3 = 1,82 MΩ e V_CAPMAX = 2,7 V.

V_BACKUP dell'EVKIT è impostato a 3 V dai resistori R5 (1,21 MΩ) e R6 (1,82 MΩ) con V_FBS = 1,2 V. Ciò significa che quando la batteria principale viene rimossa e V_FBS scende a 1,2 V, MAX38889 preleva l'energia dal supercondensatore e regola V_SYS su V_BACKUP.

L'EVKIT MAX38889A fornisce un punto di test RDY per monitorare lo stato di carica del supercondensatore. Il punto di test RDY è alto quando la tensione del pin FBCR supera la soglia di tensione FBCR di 0,5 V (impostata da R1, R2 e R3). Ciò significa che RDY diventa alto quando V_CAP supera 1,5 V. Analogamente, quando il supercondensatore fornisce energia di riserva, l'indicatore RDY diventa basso quando il supercondensatore fornisce meno di 1,5 V.

L'EVKIT fornisce anche un punto di test BKB per monitorare lo stato di riserva del sistema. Il BKB tende verso il basso quando il sistema fornisce potenza di riserva e verso l'alto quando il sistema è in carica o a riposo inattivo.

Un resistore (R4) imposta la corrente di picco dell'induttore tra ISET e la massa (GND). Un valore di 33 kΩ imposta la corrente di picco dell'induttore a 3 A secondo la formula: corrente di carica di picco (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (Figura 8).

Figura 8: Schema della scheda di valutazione MAX38889, che funziona con un supercondensatore 11 F e fornisce i punti di test per monitorare V_CAP, V_SYS, RDY e BKB. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

Un supercondensatore può essere utilizzato come elemento di immagazzinaggio dell'energia per un UPS. Le topologie UPS convenzionali utilizzano più regolatori di tensione che occupano uno spazio significativo, rendendone difficile la progettazione. L'approccio con un regolatore buck/boost integrato aiuta a superare queste sfide progettuali, sostituendo più convertitori e circuiti di carica con un unico componente compatto.