การออกแบบ UPS ที่เรียบง่ายและกะทัดรัดโดยใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

อุปกรณ์สำรองไฟ (UPS) มีความสำคัญสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น การปกป้องข้อมูลในการจัดเก็บข้อมูลแบบ Redundant Array of Independent Disk (RAID), การวัดและส่งข้อมูลทางไกลของยานยนต์เพื่อความปลอดภัย และอุปกรณ์นำส่งยา เช่น ปั๊มอินซูลิน

อย่างไรก็ตาม การออกแบบ UPS อาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่มีพื้นที่จำกัด นอกจากนี้ การออกแบบอย่างระมัดระวังเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานหลายอย่างที่ไม่สามารถทนต่อการไหลของพลังงานจากระบบจัดเก็บข้อมูลกลับไปยังแหล่งจ่ายไฟได้

ความท้าทายในการออกแบบเหล่านี้สามารถเอาชนะได้ด้วยการพิจารณาแนวทางบูรณาการโดยแทนที่ตัวแปลงและวงจรการชาร์จหลายตัวด้วยส่วนประกอบเดียว วิธีการนี้ทำให้การออกแบบวงจรง่ายขึ้น และทำให้แน่ใจได้ง่ายขึ้นว่าจะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลกลับไปยังแหล่งจ่ายไฟระหว่างการสำรองข้อมูล

บทความนี้สรุปความท้าทายในการออกแบบ UPS และนำเสนอโซลูชันแบบดั้งเดิม และจะแนะนำทางเลือกที่เรียบง่ายและบูรณาการโดยอาศัยตัวควบคุมบั๊ก/บูสต์สวิตชิ่งจาก Analog Devices

การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นแหล่งเก็บพลังงาน

รูปที่ 1 แสดงแนวทางทั่วไปในการออกแบบ UPS โดย UPS จ่ายไฟให้กับเซ็นเซอร์ไฟฟ้ากระแสตรง 24 โวลต์ (V_DC) ในตัวอย่างนี้ วงจรเซ็นเซอร์ต้องใช้อินพุต 3.3 และ 5 โวลต์ โดย UPS ใช้ตัวปรับแรงดันเชิงเส้นเพื่อชาร์จซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าของระบบ หากแรงดันไฟฟ้าของระบบลดลง พลังงานในตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นจนถึงระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการโดยใช้ตัวควบคุมแบบสเต็ปอัพ

รูปที่ 1: UPS นี้ชาร์จซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าของระบบเป็นปกติ และดึงพลังงานเมื่อแรงดันไฟฟ้าของระบบลดลง (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

หากใช้แหล่งจ่ายไฟ 24 โวลต์เพื่อจ่ายไฟให้กับส่วนประกอบวงจรอื่นๆ นอกเหนือจากเซ็นเซอร์ ควรมีซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อให้จ่ายไฟให้กับวงจรเซ็นเซอร์เท่านั้น ไม่ใช่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับสาย 24 โวลต์ โดยไดโอด "D" ป้องกันไม่ให้สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อวงจรอยู่ในโหมดสำรองไฟ

ระบบนี้ทำงานได้ดีแต่อาจใช้งานได้ยากเนื่องจากใช้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าหลายตัว นอกจากนี้ยังอาจเป็นเรื่องที่ท้าทายหากพื้นที่มีจำกัด รูปที่ 2 แสดงให้เห็นถึงแนวทางอื่น วิธีการนี้ใช้ตัวปรับแรงดันการสำรองไฟตัวเดียวเพื่อแทนที่ตัวควบคุมหลายตัวในวงจรที่แสดงในรูปที่ 1 ซึ่งช่วยประหยัดพื้นที่และทำให้การออกแบบง่ายขึ้น

รูปที่ 2: ตัวปรับแรงดันการสำรองไฟในตัวทำให้ออกแบบ UPS ได้ง่ายและกะทัดรัดยิ่งขึ้น (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

โซลูชันการสำรองข้อมูลในตัว

แนวคิดการออกแบบที่แสดงในรูปที่ 2 นั้นใช้ MAX38889 ตัวปรับแรงดันสวิตชิ่งบั๊ก/บูสต์ของ Analog Devices ซึ่งเป็นตัวเก็บประจุจัดเก็บพลังงานที่ยืดหยุ่นและกะทัดรัดหรือตัวควบคุมการสำรองไฟตัวเก็บประจุสำหรับการถ่ายโอนพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพระหว่างส่วนประกอบการจัดเก็บพลังงานและรางจ่ายไฟของระบบ มีขนาด 3 x 3 มิลลิเมตร (มม.) และเอาต์พุต 2.5 ถึง 5.5 โวลต์ (V_SYS) ที่กระแสสูงสุด 3 แอมแปร์ (A) (I_SYSMAX) จากอินพุตซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ (V_CAP) 0.5 ถึง 5.5 โวลต์ (รูปที่ 3) ช่วงอุณหภูมิการทำงานของตัวปรับแรงดันคือ -40°C ถึง +125°C

รูปที่ 3: สำหรับ UPS ที่ใช้ MAX38889 I_SYSMAX สำหรับ V_SYS ที่กำหนดขึ้นอยู่กับ V_CAP (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เมื่อมีแหล่งจ่ายไฟหลัก และแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำของระบบ ตัวควบคุมจะชาร์จซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วยกระแสไฟเหนี่ยวนำเฉลี่ยสูงสุด 3 A และ 1.5 A เมื่อซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ชาร์จเต็มแล้ว จะดึงกระแสไฟฟ้านิ่งเพียง 4 ไมโครแอมแปร์ (µA) ในขณะที่ยังคงสถานะพร้อมใช้งานอยู่ โดยจะต้องชาร์จซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จนเต็มเพื่อให้สามารถสำรองพลังงานได้

เมื่อแหล่งจ่ายไฟหลักถูกถอดออกและซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ชาร์จเต็มแล้ว ตัวปรับแรงดันจะป้องกันไม่ให้แรงดันของระบบลดต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าสำรองที่ตั้งไว้ (V_BACKUP) ทำได้โดยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าคายประจุของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ไปที่แรงดันไฟฟ้าของระบบที่ได้รับการปรับ V_SYS ในระหว่างการดำเนินการสำรองไฟ MAX38889 จะใช้แผนการควบคุมการมอดูเลตความถี่พัลส์ (PFM) แบบปรับได้ ตรงเวลา และจำกัดกระแส

พินภายนอกของตัวควบคุมช่วยให้สามารถควบคุมการตั้งค่าต่างๆ ได้ เช่น แรงดันไฟฟ้าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สูงสุด (V_CAPMAX), V_SYS และประจุและกระแสคายประจุสูงสุดของตัวเหนี่ยวนำ

MAX38889 ใช้คุณลักษณะ True Shutdown โดยตัดการเชื่อมต่อ SYS จาก CAP และป้องกันการลัดวงจรของ SYS หาก V_CAP > V_SYS โดยสามารถปิดใช้งานการชาร์จและการสำรองพลังงานโดยรักษาพิน ENC และ ENB ไว้ต่ำตามลำดับ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: พินภายนอกของ MAX38889 ช่วยให้สามารถตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สูงสุด V_CAPMAX, V_SYS และประจุและกระแสคายประจุสูงสุดของตัวเหนี่ยวนำได้ และสามารถตรวจสอบสถานะระบบสำรองไฟได้ผ่านแฟล็ก RDY (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สถานะระบบสำรองข้อมูลสามารถตรวจสอบได้ผ่านเอาท์พุตสถานะสองสถานะ: แฟล็กสถานะพร้อม (RDY) เมื่อมีการชาร์จซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ และแฟล็กสถานะการสำรองไฟ (BKB) เมื่อมีการดำเนินการสำรองพลังงาน

การเลือกซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

รูปที่ 5 แสดงวงจรไฟฟ้าแอปพลิเคชันแบบง่ายสำหรับ UPS ที่ใช้ MAX38889 V_CAPMAX ในระหว่างการชาร์จจะถูกกำหนดโดยตัวแบ่งตัวต้านทานที่ขับเคลื่อนพิน FBCH ในตัวอย่างนี้ ค่าตัวต้านทานของ R1 = 1.82 เมกะโอห์ม (MΩ), R2 = 402 กิโลโอห์ม (kΩ) และ R3 = 499 kΩ ทำให้มั่นใจได้ว่า V_CAPMAX ตั้งไว้ที่ 2.7 โวลต์ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีประจุสูงสุด 3 A และกระแสไฟเหนี่ยวนำเฉลี่ย 1.5 A ในระหว่างการคายประจุ กระแสไฟเหนี่ยวนำสูงสุดคือ 3 A

รูปที่ 5: แสดงให้เห็นว่าเป็นวงจรการใช้งานอย่างง่ายสำหรับ UPS ที่ใช้ MAX38889 ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีประจุสูงสุด 3 A และกระแสไฟเหนี่ยวนำเฉลี่ย 1.5 A ในระหว่างการคายประจุ กระแสไฟเหนี่ยวนำสูงสุดคือ 3 A (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ในการเลือกซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สำหรับการสำรองไฟจะต้องใช้ความระมัดระวัง เมื่อแหล่งพลังงานหลักล้มเหลว MAX38889 จะจ่ายพลังงานโหลดให้ซึ่งทำงานในโหมดสำรองไฟหรือโหมดบูสต์โดยใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นแหล่งพลังงาน กำลังไฟฟ้าที่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถส่งได้ที่แรงดันไฟฟ้าควบคุมขั้นต่ำจะต้องมากกว่าที่ระบบต้องการ

MAX38889 นำเสนอโหลดพลังงานคงที่ให้กับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ส่งผลให้ดึงกระแสออกมาน้อยลงเมื่อทำงานใกล้ V_CAPMAX อย่างไรก็ตาม กระแสที่ดึงมาจากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะเพิ่มขึ้นเมื่อคายประจุ (และแรงดันไฟฟ้าลดลง) เพื่อรักษาพลังงานให้กับโหลดให้คงที่ พลังงานที่ต้องการในโหมดสำรองไฟคือผลคูณของพลังงานสำรองต่อเนื่อง (V_SYS x I_SYS) ตลอดระยะเวลาการสำรองไฟ (T_BACKUP)

ปริมาณพลังงานเป็นจูล (J) ที่มีอยู่ในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ (C_SC) คำนวณโดยใช้สมการที่ 1:

สมการที่ 1

ปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ในการสำรองไฟให้เสร็จสมบูรณ์คำนวณโดยใช้สมการที่ 2:

สมการที่ 2

ที่ I_SYS คือกระแสโหลดระหว่างการสำรองพลังงาน

เนื่องจากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จ่ายพลังงานที่จำเป็นสำหรับโหลดระหว่างการสำรองไฟ โดยสมมติว่ามีประสิทธิภาพการแปลง (η) และกำหนดให้ T_BACKUP ที่ต้องการ, C_SC ที่ต้องการค่าเป็นฟารัด (F) ถูกกำหนดโดยใช้สมการที่ 3:

สมการ 3

การใช้วงจรแอปพลิเคชันที่แสดงในรูปที่ 5 เป็นตัวอย่าง สมมติว่าโหลดระบบ 200 มิลลิแอมแปร์ (mA) ประสิทธิภาพโดยเฉลี่ย 93% และเวลาสำรอง 10 วินาที ค่าต่ำสุดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ต้องการคือ:

สมการที่ 4

รูปที่ 6 แสดงกราฟประจุและคายประจุสำหรับวงจรการใช้งานดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 6: กราฟการชาร์จและคายประจุสำหรับวงจรแอปพลิเคชันแสดงในรูปที่ 5 V_SYS = 3.6 โวลต์, V_CAP = 2.7 โวลต์, V_BACKUP = 3 โวลต์ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เริ่มต้นด้วยบอร์ดประเมินผล

MAX38889AEVKIT# บอร์ดประเมินการจัดการพลังงานของตัวชาร์จตัวเก็บประจุมีวงจรที่ยืดหยุ่นในการประเมินตัวตัวปรับแรงดันการสำรองบั๊ก/บูสต์ และทดสอบ UPS โดยใช้ MAX38889 และซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ส่วนประกอบภายนอกช่วยให้สามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้าของระบบและซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ได้หลากหลาย เช่นเดียวกับการชาร์จและการคายประจุกระแสไฟ

บอร์ดประกอบด้วยการแยกสามส่วน: ENC (สำหรับการชาร์จ), ENB (สำหรับการสำรองไฟ) และ LOAD (รูปที่ 7) เมื่อให้ชันท์ ENC อยู่ที่ตำแหน่ง 1-2 จะชาร์จ เมื่อ V_SYS อยู่เหนือเกณฑ์การชาร์จ เมื่อให้ชันท์ ENB อยู่ที่ตำแหน่ง 1-2 การสำรองข้อมูลจะถูกเปิดใช้งานเมื่อ V_SYS ลดลงต่ำกว่าเกณฑ์การสำรองไฟ สามารถให้ชันท์ LOAD ไปที่ตำแหน่ง 1-2 เพื่อเข้าสู่โหมดทดสอบโดยเชื่อมต่อโหลด 4.02 โอห์ม (Ω) คร่อม V_SYS และกราวน์เพื่อจำลองสถานการณ์การคายประจุ บอร์ดจะเข้าสู่โหมดการทำงานปกติหากการเชื่อมต่อชันท์เข้ากับพินเดียวเท่านั้น

รูปที่ 7: MAX38889AEVKIT มีวงจรที่ยืดหยุ่นในการประเมินตัวปรับแรงดันการสำรองไฟซุปเปอร์คาปาซิเตอร์บั๊ก/บูสต์ MAX38889 (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เมื่อแบตเตอรี่หลักจ่ายไฟเกินแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำของระบบที่จำเป็นสำหรับการชาร์จ ตัวปรับแรงดัน MAX38889 จะชาร์จซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วยกระแสไฟฟ้าเฉลี่ย 1.5 A. พร้อม V_FBCH = 0.5 โวลต์และมีตัวต้านทาน R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ และ R3 = 1.82 MΩ จากนั้น V_CAPMAX = 2.7 โวลต์

EVKIT V_BACKUP ถูกตั้งไว้ที่ 3 โวลต์โดยตัวต้านทาน R5 (1.21 MΩ) และ R6 (1.82 MΩ) พร้อม V_FBS = 1.2 โวลต์ สิ่งนี้กำหนดว่าเมื่อถอดแบตเตอรี่หลักออกและ V_FBS ลดลงเหลือ 1.2 โวลต์ MAX38889 ดึงพลังงานจากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และปรับแรงดัน V_SYS ไปที่ V_BACKUP

MAX38889A EVKIT มีจุดทดสอบ RDY เพื่อตรวจสอบสถานะการชาร์จของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จุดทดสอบ RDY จะสูงเมื่อแรงดันไฟฟ้าของพิน FBCR ข้ามเกณฑ์แรงดันไฟฟ้า FBCR ที่ 0.5 โวลต์ (กำหนดโดย R1, R2 และ R3) ซึ่งหมายความว่า RDY ขึ้นสูงเมื่อ V_CAP เกิน 1.5 โวลต์ ในทำนองเดียวกัน เมื่อซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จัดเตรียมการสำรองข้อมูล ค่าสถานะ RDY จะลดลงเมื่อซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จ่ายไฟน้อยกว่า 1.5 โวลต์

EVKIT ยังมีจุดทดสอบ BKB เพื่อตรวจสอบสถานะการสำรองข้อมูลระบบ BKB จะถูกดึงลงต่ำเมื่อระบบจ่ายไฟสำรอง และสูงขึ้นเมื่อระบบกำลังชาร์จหรืออยู่ในสถานะไม่ได้ใช้งาน

ตัวต้านทาน (R4) จะตั้งค่ากระแสไฟเหนี่ยวนำสูงสุดระหว่าง ISET และกราวด์ (GND) ค่าตัวต้านทาน 33 kΩ จะตั้งค่ากระแสไฟเหนี่ยวนำสูงสุดเป็น 3 A ตามสูตร: กระแสการชาร์จสูงสุด (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: แสดงแผนผังของบอร์ดประเมินผล MAX38889 ที่ทำงานโดยใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ 11 F และจัดให้มีจุดทดสอบเพื่อตรวจสอบ V_CAP, V_SYS, RDY และ BKB (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สรุป

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถใช้เป็นส่วนประกอบกักเก็บพลังงานสำหรับ UPS ได้ โดยโทโพโลยีของ UPS แบบทั่วไปใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าหลายตัวซึ่งใช้พื้นที่จำนวนมาก ทำให้ออกแบบได้ยาก ซึ่งวิธีการใช้ตัวปรับแรงดันบั๊ก/บูสต์แบบบูรณาการช่วยลดความท้าทายในการออกแบบเหล่านี้ โดยการแทนที่คอนเวอร์เตอร์หลายตัวและวงจรการชาร์จด้วยส่วนประกอบขนาดกะทัดรัดเพียงชิ้นเดียว