【導(dǎo)讀】不間斷電源 (UPS) 在許多應(yīng)用中扮演著重要的角色，例如，獨(dú)立磁盤冗余陣列 (RAID) 存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)保護(hù)、用于安全操作的汽車遙測(cè)系統(tǒng)，以及醫(yī)療保健行業(yè)的胰島素泵等給藥器械。
不間斷電源 (UPS) 在許多應(yīng)用中扮演著重要的角色，例如，獨(dú)立磁盤冗余陣列 (RAID) 存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)保護(hù)、用于安全操作的汽車遙測(cè)系統(tǒng)，以及醫(yī)療保健行業(yè)的胰島素泵等給藥器械。
然而，設(shè)計(jì) UPS 可能具有挑戰(zhàn)性，特別是在空間有限的情況下。此外，對(duì)于許多無(wú)法承受電能從存儲(chǔ)系統(tǒng)流回電源的應(yīng)用而言，還需要進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。
考慮采用集成方法，將多個(gè)轉(zhuǎn)換器和充電電路替換成單個(gè)元器件，便可降低此類設(shè)計(jì)的難度。這種集成方法可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，更易于確保在備用電源運(yùn)行期間沒(méi)有電流流回電源。
本文概述了 UPS 設(shè)計(jì)難點(diǎn)并介紹了一種傳統(tǒng)解決方案。隨后，本文介紹了一種簡(jiǎn)化的集成式替代方法，該方法基于 Analog Devices 的降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器。
使用超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能器
圖 1 顯示了一種傳統(tǒng)的 UPS 設(shè)計(jì)方法。在此示例中，UPS 為 24 VDC 傳感器供電。該傳感器的電路需要 3.3 V 和 5 V 輸入。當(dāng)系統(tǒng)電壓可用時(shí)，UPS 使用線性穩(wěn)壓器為超級(jí)電容器充電。如果系統(tǒng)電壓下降，電容器中的電能就會(huì)通過(guò)升壓穩(wěn)壓器升至所需的供電電壓水平。
圖 1：該 UPS 在系統(tǒng)電壓正常時(shí)為超級(jí)電容器充電，在系統(tǒng)電壓下降時(shí)汲取其中的電能。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
如果 24 V 電源還用于為傳感器以外的其他電路元件供電，則應(yīng)并入超級(jí)電容器，使其僅為傳感器電路供電，而不為與 24 V 線路相關(guān)的其他電子設(shè)備供電。當(dāng)電路處于備用模式時(shí)，二極管“D”可防止發(fā)生這種情況。
雖然這種系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，但可能難以實(shí)施，因?yàn)樗枰褂枚鄠€(gè)電壓轉(zhuǎn)換器。此外，如果空間有限，可能也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。圖 2 顯示了另一種替代方法。該方法采用單個(gè)備用穩(wěn)壓器來(lái)替代圖 1 所示電路中的多個(gè)穩(wěn)壓器，不僅能節(jié)省空間，還能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
圖 2：集成式備用穩(wěn)壓器可使 UPS 的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單和緊湊。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
集成式備用解決方案
圖 2 所示的設(shè)計(jì)理念可通過(guò) Analog Devices 的 MAX38889 降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這是一款靈活而緊湊的儲(chǔ)能電容器或電容器組備用穩(wěn)壓器，可在存儲(chǔ)元件與系統(tǒng)電源軌之間有效地傳輸電能。該器件尺寸為 3 x 3 mm，從 0.5 至 5.5 V 的超級(jí)電容器輸入 (VCAP)，在 3 A 最大電流 (ISYSMAX) 下可產(chǎn)生 2.5 至 5.5 V 的輸出 (VSYS)（圖 3）。該穩(wěn)壓器的工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。
圖 3：對(duì)于基于 MAX38889 的 UPS，給定 VSYS 的 ISYSMAX 取決于 VCAP。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
當(dāng)主電源接通且其電壓高于系統(tǒng)供電電壓最小閾值時(shí)，該穩(wěn)壓器能以最大 3 A 的峰值電流和 1.5 A 的平均電感電流為超級(jí)電容器充電。超級(jí)電容器充滿電后，在保持就緒狀態(tài)時(shí)，靜態(tài)電流只有 4 μA。超級(jí)電容器在作為備用電源運(yùn)行前必須達(dá)到滿充狀態(tài)。
當(dāng)主電源斷開且超級(jí)電容器充滿電時(shí)，該穩(wěn)壓器可防止系統(tǒng)降至設(shè)定的系統(tǒng)備用工作電壓 (VBACKUP) 以下。該器件通過(guò)使超級(jí)電容器放電電壓升至 VSYS（即穩(wěn)壓系統(tǒng)電壓）來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的。在備用電源運(yùn)行期間，MAX38889 采用自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間和限流脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 控制方案。
穩(wěn)壓器的外部引腳可控制各種設(shè)置，例如最大超級(jí)電容器電壓 (VCAPMAX)、VSYS，以及峰值電感充電和放電電流。
MAX38889 具有真關(guān)斷功能，可將 SYS 與 CAP 斷開，并在 VCAP 大于 VSYS 時(shí)防止 SYS 短路。通過(guò)分別使 ENC 和 ENB 引腳保持低電平，可禁用充電和備用功能（圖 4）。
圖 4：通過(guò) MAX38889 的外部引腳可設(shè)置最大超級(jí)電容器電壓 VCAPMAX、VSYS，以及峰值電感充電和放電電流；備用系統(tǒng)狀態(tài)可通過(guò) RDY 標(biāo)志進(jìn)行監(jiān)控。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
備用系統(tǒng)狀態(tài)可通過(guò)兩個(gè)狀態(tài)輸出進(jìn)行監(jiān)控：就緒狀態(tài) (RDY) 標(biāo)志（指示超級(jí)電容器的充電時(shí)間）和備用狀態(tài) (BKB) 標(biāo)志（指示備用電源運(yùn)行狀態(tài)）。
超級(jí)電容器選型
圖 5 顯示了基于 MAX38889 的 UPS 的簡(jiǎn)化應(yīng)用電路。充電期間，VCAPMAX 由驅(qū)動(dòng) FBCH 引腳的電阻分壓器決定。在此示例中，電阻值 R1 = 1.82 MΩ、R2 = 402 kΩ 和 R3 = 499 kΩ 可確保 VCAPMAX 設(shè)置為 2.7 V。超級(jí)電容器以最大 3 A 的峰值和 1.5 A 的平均電感電流充電。放電期間，峰值電感電流為 3 A。
圖 5：圖示為基于 MAX38889 的 UPS 的簡(jiǎn)化應(yīng)用電路。超級(jí)電容器以最大 3 A 的峰值和 1.5 A 的平均電感電流充電。放電期間，峰值電感電流為 3 A。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
在為備用電源運(yùn)行選擇超級(jí)電容器時(shí)，需要格外注意。當(dāng)主電源出現(xiàn)故障時(shí)，負(fù)載功率由 MAX38889 提供，該器件利用超級(jí)電容器作為能量來(lái)源，在備用或升壓模式下運(yùn)行。超級(jí)電容器在其最小調(diào)節(jié)供電電壓下可提供的功率必須大于系統(tǒng)所需的功率。
當(dāng) MAX38889 的工作電壓接近 VCAPMAX 時(shí)，該器件可為超級(jí)電容器提供恒功率負(fù)載，導(dǎo)致從中汲取的電流變小。但是，當(dāng)超級(jí)電容器放電（且電壓降低）時(shí)，從中汲取的電流就會(huì)增加，以維持負(fù)載的恒功率。在備用電源運(yùn)行期間 (TBACKUP)，備用模式下所需的能量為連續(xù)備用功率的乘積 (VSYS x ISYS)。
使用公式 1 可計(jì)算出超級(jí)電容器中可用的能量值（以焦耳 [J] 為單位）(CSC)：
公式 1
使用公式 2 可計(jì)算出完成備用電源運(yùn)行所需的能量值：
公式 2
其中 ISYS 為備用期間的負(fù)載電流。
由于備用事件期間負(fù)載所需的能量由超級(jí)電容器提供，假設(shè)轉(zhuǎn)換效率 (η) 并給定所需的 TBACKUP，則使用公式 3 可確定所需的 CSC 值（以法拉 [F] 為單位）：
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 mA，平均效率為 93%，備用時(shí)間為 10 s，則所需的超級(jí)電容器最小值為：
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。VSYS = 3.6 V，VCAP = 2.7 V，VBACKUP = 3 V。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
著手使用評(píng)估板
MAX38889AEVKIT# 電容器充電器電源管理評(píng)估板提供靈活的電路，可評(píng)估降壓/升壓備用穩(wěn)壓器，并測(cè)試基于 MAX38889 和超級(jí)電容器的 UPS。外部元器件支持各種系統(tǒng)和超級(jí)電容器電壓以及充電和放電電流。
該評(píng)估板包含三個(gè)分流器：ENC（啟用充電）、ENB（啟用備用）和 LOAD（圖 7）。在 ENC 分流器設(shè)在位置 1-2 的情況下，當(dāng) VSYS 高于充電閾值時(shí)啟用充電。在 ENB 分流器設(shè)在位置 1-2 的情況下，當(dāng) VSYS 降至備用閾值以下時(shí)啟用備用。LOAD 可設(shè)為位置 1-2 以進(jìn)入測(cè)試模式，其中 4.02 Ω 負(fù)載跨接到 VSYS，并接地以模擬放電場(chǎng)景。如果分流器僅連接到一個(gè)引腳，該評(píng)估板將進(jìn)入正常工作模式。
圖 7：MAX38889AEVKIT 提供靈活的電路，可評(píng)估 MAX38889 降壓/升壓超級(jí)電容器備用穩(wěn)壓器。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
當(dāng)主電池提供的電壓超過(guò)充電所需的最低系統(tǒng)電壓時(shí)，MAX38889 穩(wěn)壓器以 1.5 A 的平均電流為超級(jí)電容器充電，VFBCH = 0.5 V，電阻器 R1 = 499 kΩ、R2 = 402 kΩ、R3 = 1.82 MΩ 時(shí)，VCAPMAX = 2.7 V。
EVKIT VBACKUP 由電阻器 R5 (1.21 MΩ) 和 R6 (1.82 MΩ) 設(shè)置為 3 V，VFBS = 1.2 V。這表明當(dāng)主電池?cái)嚅_且 VFBS 降至 1.2 V 時(shí)，MAX38889 會(huì)從超級(jí)電容器汲取電能并將 VSYS 調(diào)節(jié)至 VBACKUP。
MAX38889A EVKIT 提供 RDY 測(cè)試點(diǎn)來(lái)監(jiān)控超級(jí)電容器充電狀態(tài)。當(dāng) FBCR 引腳電壓超過(guò) 0.5 V 的 FBCR 電壓閾值（由 R1、R2 和 R3 設(shè)置）時(shí)，RDY 測(cè)試點(diǎn)為高電平。這意味著當(dāng) VCAP 超過(guò) 1.5 V 時(shí)，RDY 會(huì)升高。同樣，在超級(jí)電容器提供備用的情況下，當(dāng)超級(jí)電容器提供的電壓低于 1.5 V 時(shí)，RDY 標(biāo)志會(huì)降低。
EVKIT 還提供 BKB 測(cè)試點(diǎn)來(lái)監(jiān)控系統(tǒng)備用狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)提供備用電源時(shí)，BKB 被拉低；當(dāng)系統(tǒng)正在充電或處于空閑狀態(tài)時(shí)，BKB 被拉高。
電阻器 (R4) 可設(shè)置 ISET 與接地 (GND) 之間的峰值電感器電流。根據(jù)以下公式，33 kΩ 的電阻值將峰值電感電流設(shè)置為 3 A：峰值充電電流 (ILX_CHG) = 3 A x (33 kΩ/R4)（圖 8）。
圖 8：圖示為 MAX38889 評(píng)估板的原理圖；該器件使用 11 F 超級(jí)電容器運(yùn)行，并提供測(cè)試點(diǎn)來(lái)監(jiān)控 VCAP、VSYS、RDY 和 BKB。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
總結(jié)
超級(jí)電容器可用作 UPS 的儲(chǔ)能元件。傳統(tǒng)的 UPS 拓?fù)洳捎枚鄠€(gè)穩(wěn)壓器，這些穩(wěn)壓器需要占用大量空間，因此設(shè)計(jì)起來(lái)很棘手。采用集成式降壓/升壓穩(wěn)壓器可將多個(gè)轉(zhuǎn)換器和充電電路替換成單個(gè)緊湊型元器件，從而降低此類設(shè)計(jì)的難度。
（作者：Steven Keeping）
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