作者：Steven Keeping

　　不間斷電源 (UPS) 對于獨立磁盤冗余陣列 (RAID) 存儲中的數(shù)據(jù)保護(hù)、用于安全操作的汽車遙測以及醫(yī)療保健中的胰島素泵等藥物輸送設(shè)備等應(yīng)用至關(guān)重要。

　　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，許多不能承受能量從存儲系統(tǒng)流回電源的應(yīng)用需要仔細(xì)設(shè)計。

　　通過考慮采用集成方法可以緩解這些設(shè)計挑戰(zhàn)，即用單個組件替換多個轉(zhuǎn)換器和充電電路。這種集成方法簡化了電路設(shè)計，并且更容易確保在備份操作期間沒有電流流回電源。

　　本文概述了 UPS 設(shè)計挑戰(zhàn)并提出了傳統(tǒng)解決方案。然后，本文介紹了一種基于Analog Devices的降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的簡化集成替代方案。

　　使用超級電容器作為能量儲存器

　　圖 1 顯示了 UPS 設(shè)計的傳統(tǒng)方法。在此示例中，UPS 為 24 伏直流 (V DC ) 傳感器供電。傳感器電路需要 3.3 伏和 5 伏輸入。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，電容器中的能量將通過升壓調(diào)節(jié)器升壓至所需的電源電壓水平。

　　圖 1：該 UPS 在系統(tǒng)電壓正常時為超級電容器充電，并在系統(tǒng)電壓下降時吸收該能量。 (圖片來源：Analog Devices)

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

　　該系統(tǒng)運行良好，但可能難以實施，因為它使用多個電壓轉(zhuǎn)換器。如果空間有限，這也可能具有挑戰(zhàn)性。圖 2 說明了另一種方法。這種方法使用單個備用穩(wěn)壓器來代替圖 1 所示電路中的多個穩(wěn)壓器，從而節(jié)省空間并簡化設(shè)計。

　　圖 2：集成后備穩(wěn)壓器使 UPS 設(shè)計更加簡單和緊湊。 (圖片來源：Analog Devices)

　　集成備份解決方案

　　圖 2 所示的設(shè)計概念可以使用 Analog Devices 的MAX38889降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器來實現(xiàn)。這是一種靈活且緊湊的存儲電容器或電容器組備份穩(wěn)壓器，用于在存儲元件和系統(tǒng)電源軌之間有效地傳輸電力。它的尺寸為 3 x 3 毫米 (mm)，通過 0.5 至 5.5 伏的超級電容器輸入 (V CAP )，以 3 安培 (A) (I SYS MAX) 的最大電流輸出 2.5 至 5.5 伏 (V SYS ) (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 SYS的 I SYS MAX取決于 V CAP。 (圖片來源：Analog Devices)

　　當(dāng)主電源存在且其電壓高于最小閾值系統(tǒng)電源電壓時，調(diào)節(jié)器以最大 3 A 峰值和 1.5 A 平均電感器電流為超級電容器充電。超級電容器充滿電后，它僅消耗 4 微安 (μA) 靜態(tài)電流，同時保持就緒狀態(tài)。超級電容器必須充滿電才能進(jìn)行備份操作。

　　當(dāng)主電源被移除且超級電容器充滿電時，調(diào)節(jié)器可防止系統(tǒng)降至低于設(shè)定的系統(tǒng)備用工作電壓 (V BACKUP )。它通過將超級電容器放電電壓提升至穩(wěn)壓系統(tǒng)電壓V SYS來實現(xiàn)這一點。在備份操作期間，MAX38889采用自適應(yīng)、準(zhǔn)時、限流脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制方案。

　　穩(wěn)壓器的外部引腳允許控制各種設(shè)置，例如最大超級電容器電壓 (V CAP MAX)、V SYS以及峰值電感器充電和放電電流。

　　MAX38889 實現(xiàn)真正關(guān)斷功能，在 V CAP > V SYS時將 SYS 與 CAP 斷開并防止 SYS 短路。通過分別將 ENC 和 ENB 引腳保持為低電平可以禁用充電和備份(圖 4)。

　　圖4：MAX38889的外部引腳允許設(shè)置最大超級電容器電壓V CAP MAX、V SYS以及峰值電感充電和放電電流;備份系統(tǒng)狀態(tài)可以通過RDY標(biāo)志來監(jiān)控。 (圖片來源：Analog Devices)

　　備份系統(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(指示超級電容器何時充電)和備份狀態(tài)(BKB)標(biāo)志(指示備份操作)。

　　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。充電期間的V CAP MAX 由驅(qū)動 FBCH 引腳的電阻分壓器決定。在此示例中，電阻器值 R1 = 1.82 兆歐 (MΩ)、R2 = 402 千歐 (kΩ) 和 R3 = 499 kΩ 可確保 V CAP MAX 設(shè)置為 2.7 伏。超級電容器以最大 3 A 峰值和 1.5 A 平均電感器電流充電。放電期間，峰值電感電流為 3 A。

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

　　選擇用于備用操作的超級電容器時需要小心。當(dāng)主電源出現(xiàn)故障時，MAX38889通過工作在備份或升壓模式下提供負(fù)載電源，并使用超級電容器作為能源。超級電容器在其最小調(diào)節(jié)電源電壓下可以提供的功率必須大于系統(tǒng)所需的功率。

　　MAX38889 為超級電容器提供恒定功率負(fù)載，當(dāng)其工作在 V CAP MAX附近時，從超級電容器汲取的電流較小。然而，從超級電容器汲取的電流隨著其放電(以及電壓下降)而增加，以維持負(fù)載的恒定功率。備用模式所需的能量是備用操作持續(xù)時間 (T BACKUP ) 內(nèi)連續(xù)備用功率 (V SYS x I SYS )的乘積。

　　超級電容器 (C SC )中可用的能量(以焦耳 (J) 為單位)使用公式 1 計算：

　　公式1

　　完成備份操作所需的能量使用公式 2 計算：

　　等式2

　　其中I SYS為備份時的負(fù)載電流。

　　由于備份事件期間負(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 BACKUP，則所需的 C SC值(以法拉 (F) 為單位)可使用公式 3 確定：

　　公式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毫安(mA)，平均效率為93%，備份時間為10秒(s)，則所需超級電容器的最小值為：

　　公式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 SYS = 3.6 V，V CAP = 2.7 V，V BACKUP = 3 V。 (圖片來源：Analog Devices)

　　開始使用評估板

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

　　該板包含三個分流器：ENC(啟用充電)、ENB(啟用備份)和 LOAD(圖 7)。當(dāng) ENC 分流器設(shè)置在位置 1-2 時，當(dāng) V SYS高于充電閾值時啟用充電。當(dāng) ENB 分流器設(shè)置在位置 1-2 時，當(dāng) V SYS降至備份閾值以下時啟用備份。負(fù)載分流器可設(shè)置為位置 1-2 以進(jìn)入測試模式，其中 4.02 歐姆 (Ω) 負(fù)載連接在 V SYS和接地之間以模擬放電場景。如果分流器僅連接到一個引腳，則該板將進(jìn)入正常工作模式。

　　圖 7：MAX38889AEVKIT 提供靈活的電路來評估 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R1 = 499 kΩ、R2 = 402 kΩ和R3 = 1.82 MΩ，則 V CAP MAX = 2.7 伏。

　　EVKIT V BACKUP通過電阻器 R5 (1.21 MΩ) 和 R6 (1.82 MΩ) 設(shè)置為 3 V，其中 V FBS = 1.2 V。這表明，當(dāng)主電池被移除且 V FBS降至 1.2 V 時，MAX38889 從超級電容器獲取電源，并將 V SYS調(diào)節(jié)至 V BACKUP。

　　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 伏 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 CAP超過 1.5 伏時，RDY 變高。類似地，當(dāng)超級電容器提供備份時，當(dāng)超級電容器提供低于 1.5 伏的電壓時，RDY 標(biāo)志變低。

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

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

　　圖 8：所示為 MAX38889 評估板原理圖;它使用 11 F 超級電容器運行，并提供測試點來監(jiān)控 V CAP、V SYS、RDY 和 BKB。 (圖片來源：Analog Devices)

　　結(jié)論

　　超級電容器可用作 UPS 的儲能元件。傳統(tǒng)的 UPS 拓?fù)涫褂枚鄠€穩(wěn)壓器，這些穩(wěn)壓器占用大量空間，因此設(shè)計起來很棘手。集成降壓/升壓穩(wěn)壓器方法通過用單個緊湊組件替換多個轉(zhuǎn)換器和充電電路來緩解這些設(shè)計挑戰(zhàn)。