Szuperkondenzátoron alapuló egyszerű és kis méretű szünetmentes tápegység tervezése

A szünetmentes tápegység (UPS, uninterruptible power supply) létfontosságú az olyan felhasználási területeken, mint a RAID-tárolók (RAID: redundant array of independent disk, független lemezek redundáns tömbje) adatvédelme, a gépjárműipar biztonsági műveleteihez használt telemetria és az egészségügyben a gyógyszeradagoló eszközök, például az inzulinpumpák.

A szünetmentes tápegységek tervezése azonban komoly feladatot jelenthet, különösen, ha szűkös a hely. Ezenkívül számos olyan felhasználási terület esetében, ahol nem engedhető meg a tárolórendszerből a tápegységbe történő energiaáramlás, gondos tervezésre van szükség.

Ezek a tervezési feladatok némileg megkönnyíthetőek integrált áramkörök használatával, amikor is több áramátalakító és töltőáramkör helyett egyetlen alkatrészt kell csak beépíteni. Ez az integrált áramkörös megközelítés leegyszerűsíti az áramkörök tervezését, és megkönnyíti annak biztosítását, hogy tartalék üzemmódban ne folyjon vissza áram a tápegységbe.

Ez a cikk felvázolja a szünetmentes tápegységek tervezésével kapcsolatos kihívásokat, és először bemutat egy hagyományos, majd egy egyszerűsített, integrált áramkörös megoldást, amely az Analog Devices egyik kapcsolóüzemű feszültségcsökkentő/feszültségnövelő áramátalakítóján alapul.

Szuperkondenzátor használata energiatároló elemként

Az 1. ábrán egy hagyományos kialakítású szünetmentes tápegység blokkvázlata látható. Ebben a példában a szünetmentes tápegység egy 24 V egyenfeszültségű (V_DC) érzékelőt táplál. Az érzékelő áramköre 3,3 V és 5 V közötti bemenőfeszültséget igényel. Amikor rendelkezésre áll a rendszerfeszültség, a szünetmentes tápegység egy lineáris szabályozón keresztül tölti a szuperkondenzátort. Ha a rendszerfeszültség csökken, a kondenzátorban lévő energiát a szükséges tápfeszültség szintjére erősíti egy feszültségnövelő áramátalakító.

1. ábra: Ez a szünetmentes tápegység egy szuperkondenzátort tölt fel, amíg normális a rendszerfeszültség, és ezt az energiát használja fel, amikor a rendszerfeszültség a szükséges érték alá esik (ábra: Analog Devices)

Ha a 24 V-os tápegységet az érzékelőkön kívül más áramköri elemek táplálására is használják, a szuperkondenzátort úgy kell beépíteni, hogy csak az érzékelő áramkört táplálja, a 24 V-os tápvonalhoz kapcsolódó egyéb elektronikát ne. Ezt a D dióda akadályozza meg, amikor az áramkör tartalék üzemmódban van.

Ez a rendszer jól működik, de nehéz megvalósítani, mert több áramátalakítót tartalmaz. Ez a tulajdonsága akkor is gondot jelenthet, ha szűkös a hely. A 2. ábrán egy alternatív megoldás látható. Ez az áramkör egyetlen tartalék áramátalakítót használ az 1. ábrán látható áramkörben lévő több áramátalakító helyett, amivel helyet takarít meg, és egyszerűsíti a tervezést.

2. ábra: Az integrált áramkörös tartalék áramátalakító egyszerűbbé és kisebb méretűvé teszi a szünetmentes tápegységet (ábra: Analog Devices)

Az integrált áramkörös tartalék áramátalakító

A 2. ábrán bemutatott áramkör-kialakítás megvalósítható például az Analog Devices MAX38889 jelű kapcsolóüzemű feszültségcsökkentő/feszültségnövelő áramátalakítójával. A MAX38889 egy rugalmas és kis méretű tárolókondenzátorral vagy tároló kondenzátorteleppel megvalósított tartalék áramkörhöz való feszültségszabályozó áramátalakító, amely hatékonyan továbbítja az energiát a tárolóelem és a rendszer tápsínje között. Mérete 3 mm × 3 mm, és 0,5–5,5 V-os szuperkondenzátor-bemenetről (V_CAP) 2,5–5,5 V (V_SYS) feszültséget ad le a kimenetén maximum 3 A (I_SYSMAX) áramerősség mellett (3. ábra). Üzemi hőmérséklet-tartománya –40 °C és +125 °C között van.

3. ábra: A MAX38889 áramátalakítón alapuló szünetmentes tápegység esetében az I_SYSMAX áramerősség adott V_SYS kimenőfeszültség esetén a V_CAP szuperkondenzátor-feszültségtől függ (ábra: Analog Devices)

Ha rendelkezésre áll a fő áramellátás, és annak feszültsége meghaladja a rendszer tápfeszültségének alsó küszöbértékét, a szabályozó legfeljebb 3 A csúcs- és 1,5 A átlagos tekercs-áramerősséggel tölti a szuperkondenzátort. Miután a szuperkondenzátor teljesen feltöltődött, mindössze 4 µA nyugalmi áramot vesz fel, amíg készenléti állapotban van. A szuperkondenzátort teljesen fel kell tölteni ahhoz, hogy lehetővé váljék a tartalék áramellátásként való használata.

Amikor a fő áramellátás megszűnik, a szuperkondenzátor pedig teljesen fel van töltve, a szabályozó megakadályozza, hogy a rendszerfeszültség a beállított tartalék üzemi feszültség (V_BACKUP) alá csökkenjen. Ezt úgy éri el, hogy a szuperkondenzátor kisütési feszültségét a V_SYS értékre, a szabályozott rendszerfeszültségre emeli. Tartalék üzemmódban a MAX38889 alkalmazkodó bekapcsolási időtartamú (AOT, adaptive on-time) és áramkorlátozott impulzusfrekvencia-modulációs (PFM, pulse frequency modulation) vezérlési sémát használ.

Az áramátalakító lábain keresztül szabályozni lehet a különböző beállításokat, például a legnagyobb szuperkondenzátor-feszültséget (V_CAPMAX), a kimenőfeszültséget (V_SYS), valamint a tekercsen átfolyó töltő és kisütő csúcsáramerősséget.

A MAX38889 egy tényleges leállítási (True Shutdown) funkciót valósít meg, leválasztva a rendszert (SYS) a kondenzátorról (CAP), és védelmet nyújtva a rendszer rövidzárlata ellen, ha V_CAP > V_SYS. A töltés és a tartalék üzemmód az ENC és az ENB láb alacsony feszültségszinten tartásával letiltható (4. ábra).

4. ábra: A MAX38889 lábai lehetővé teszik a legnagyobb szuperkondenzátor-feszültségnek (V_CAPMAX), a kimenőfeszültségnek (V_SYS), valamint a tekercsen átfolyó töltő és kisütő csúcsáramerősségnek a beállítását. A tartalékrendszer állapota az RDY lábon keresztül ellenőrizhető (ábra: Analog Devices)

A tartalékrendszer állapota két állapotjelző kimeneten keresztül ellenőrizhető: az egyik a készenléti állapotot (RDY) jelző láb, amely azt jelzi, ha a szuperkondenzátor feltöltődött, a másik a tartalékrendszer állapotát (BKB) jelző láb, amely a tartalékrendszer működést jelzi.

A szuperkondenzátor kiválasztása

Az 5. ábrán egy MAX38889 áramátalakítón alapuló szünetmentes tápegység egyszerűsített áramkörének kapcsolási rajza látható. A V_CAPMAX feszültség töltés közbeni értékét az FBCH lábat vezérlő ellenállásosztó határozza meg. Ebben a példában az R1 = 1,82 MΩ, R2 = 402 kΩ és R3 = 499 kΩ ellenállásérték biztosítja, hogy a V_CAPMAX értéke 2,7 V legyen. A szuperkondenzátor legfeljebb 3 A csúcs- és 1,5 A átlagos tekercsárammal töltődik. Kisütéskor a tekercsen átfolyó csúcsáram 3 A.

5. ábra: Az ábrán egy MAX38889 áramátalakítón alapuló szünetmentes tápegység egyszerűsített áramkörének kapcsolási rajza látható. A szuperkondenzátor legfeljebb 3 A csúcs- és 1,5 A átlagos tekercsárammal töltődik. Kisütéskor a tekercsen átfolyó csúcsáramerősség 3 A (ábra: Analog Devices)

A tartalék üzemmódhoz használandó szuperkondenzátor kiválasztásakor körültekintően kell eljárni. Ha a fő áramforrás meghibásodik, tartalék üzemmódban a terhelés által igényelt energiát a MAX38889 szolgáltatja, a szuperkondenzátort használva energiaforrásként. A szuperkondenzátor által a legkisebb szabályozott tápfeszültség mellett leadható teljesítménynek nagyobbnak kell lennie, mint amennyit a rendszer igényel.

A MAX38889 állandó terhelést jelent a szuperkondenzátornak, így kevesebb áramot vesz fel belőle, amikor az a V_CAPMAX feszültség közelében működik. A szuperkondenzátorból felvett áram azonban növekszik a kisülés során (miközben a feszültség csökken), hogy a terhelés állandó teljesítményt kapjon. A tartalék üzemmódban szükséges energia a folyamatos tartalékteljesítménynek (V_SYS × I_SYS) és a tartalék üzemmód időtartamának (T_BACKUP) szorzata.

A szuperkondenzátorban (C_SC) rendelkezésre álló energia mennyiségét az 1. egyenlet segítségével számíthatjuk ki (joule-ban, J):

 1. egyenlet

A tartalék üzemmód végrehajtásához szükséges energiamennyiséget a 2. egyenlet segítségével lehet kiszámítani:

 2. egyenlet,

ahol az I_SYS a tartalék üzemmód során a terhelésre jutó áramerősség.

Mivel a tartalék üzemmód során a terhelés által igényelt energiát a szuperkondenzátor szolgáltatja, feltételezve valamilyen átalakítási hatásfokot (η) és figyelembe véve a szükséges T_BACKUP időtartamot a szuperkondenzátor szükséges C_SC kapacitásértéke a 3. egyenlet segítségével határozható meg (farádban, F):

 3. egyenlet

Az 5. ábrán látható áramkört használva példaként és 200 mA rendszerterhelést, 93%-os átlagos hatásfokot és 10 másodperces (s) biztonsági időt feltételezve a szuperkondenzátor minimálisan szükséges értéke:

 4. egyenlet

A 6. ábra az 5. ábrán látható áramkör töltési és kisütési görbéjét mutatja.

6. ábra: Az 5. ábrán látható áramkör töltési és kisütési görbéje. V_SYS = 3,6 V, V_CAP = 2,7 V, V_BACKUP = 3 V (ábra: Analog Devices)

Ismerkedés a fejlesztőkártyákkal

A kondenzátortöltési teljesítményt szabályozó MAX38889AEVKIT# fejlesztőkártya rugalmas áramkört kínál a tartalék üzemmód feszültségcsökkentő/feszültségnövelő áramátalakítójának kiértékeléséhez, valamint a MAX38889 áramátalakítón és egy szuperkondenzátoron alapuló szünetmentes tápegység teszteléséhez. Külső alkatrészekkel a rendszerfeszültségnek és a szuperkondenzátor feszültségének, valamint a töltési és kisütési áramoknak a széles skáláját lehet beállítani.

A kártya három áthidaló található: ENC (töltés engedélyezve), ENB (tartalék engedélyezve) és LOAD (7. ábra). Ha az ENC áthidaló az 1-2 helyzetbe van állítva, akkor történik töltés, ha a V_SYS feszültség a töltési küszöbérték felett van. Ha az ENB áthidaló az 1-2 helyzetbe van állítva, működésbe lép a tartalék üzemmód, ha a V_SYS a biztonsági küszöbérték alá esik. A LOAD áthidalót 1-2 helyzetbe állítva egy tesztüzemmód indul el, amelyben egy 4,02 Ω-os terhelés van csatlakoztatva a V_SYS és a test közé, ami egy kisütési módot szimulál. Ha ez az áthidaló csak egy tüskére van ráhelyezve, a kártya normál üzemmódba áll.

7. ábra: A MAX38889AEVKIT rugalmasan alakítható áramkört kínál a MAX38889 feszültségcsökkentő/feszültségnövelő áramátalakítóval kialakított szuperkondenzátoros szünetmentes tartalék tápegység értékeléséhez (kép: Analog Devices)

Amikor a főakkumulátor többet ad le a töltéshez szükséges minimális rendszerfeszültségnél, a MAX38889 áramátalakító 1,5 A átlagos áramerősséggel tölti a szuperkondenzátort. A többi érték: V_FBCH = 0,5 V, valamint R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ és R3 = 1,82 MΩ értékű ellenállás esetén V_CAPMAX = 2,7 V.

A fejlesztőkártya V_BACKUP feszültsége V_FBS = 1,2 V mellett az R5 (1,21 MΩ) és az R6 (1,82 MΩ) ellenállással 3 V-ra van állítva. Ebből az következik, hogy amikor a főakkumulátort eltávolítják, és a V_FBS 1,2 V-ra csökken, a MAX38889 áramot vesz a szuperkondenzátorból, és a V_SYS feszültséget a V_BACKUP értékre szabályozza.

A MAX38889AEVKIT fejlesztőkártya tartalmaz egy RDY tesztpontot is a szuperkondenzátor töltöttségi állapotának ellenőrzésére. Az RDY tesztpont magas értéken van, amikor az FBCR láb feszültsége átlépi a(z R1, R2 és R3 ellenállással beállított) 0,5 V-os FBCR-feszültségküszöböt. Ez azt jelenti, hogy az RDY magas értéken van, amikor a V_CAP feszültség több mint 1,5 V. Hasonlóképpen amikor a szuperkondenzátor biztosítja a tartalék áramellátást, az RDY jelző alacsony értékre vált, ha a szuperkondenzátor feszültsége 1,5 V alá esik.

A MAX38889AEVKIT fejlesztőkártya egy BKB tesztpontot is tartalmaz annak ellenőrzésére, hogy a rendszer rendszer tartalék üzemmódban van-e. A BKB lábon alacsony érték mérhető, amikor a rendszer tartalék energiát szolgáltat, és magas érték, amikor töltődik vagy tétlen állapotban van.

Az ISET és a test (GND) közötti tekercscsúcsáramot egy ellenállás (R4) állítja be. A 33 kΩ-os ellenállásérték a képlet alapján 3 A-ra állítja be a tekercs csúcsáramát: I_{LX_CHG} = 3 A × (33 kΩ/R4) (8. ábra).

8. ábra: Az ábrán egy a MAX38889 fejlesztőkártyát használó áramkör kapcsolási rajza látható. A kártya egy 11 F-os szuperkondenzátort használva működik, és tesztelési pontokkal van ellátva a V_CAP, a V_SYS, az RDY és a BKB jellemző figyeléséhez (ábra: Analog Devices)

Összegzés

A szünetmentes tápegységek energiatároló elemeként szuperkondenzátorokat is lehet használni. A hagyományos szünetmentestápegység-áramkörök több feszültségszabályozót használnak, amelyek jelentős helyet foglalnak el, ezért a tervezésük során felmerülnek bizonyos nehézségek. Az integrált áramkörös feszültségcsökkentő/feszültségnövelő áramátalakítók használata enyhít ezeken a tervezési gondokon azáltal, hogy egyetlen kis méretű alkatrésszel vált ki több áramátalakítót és töltőáramkört.