设计基于超级电容器的简单而紧凑的UPS

作者：Steven Keeping

不间断电源 (UPS) 在许多应用中扮演着重要的角色，例如，独立磁盘冗余阵列 (RAID) 存储中的数据保护、用于安全操作的汽车遥测系统，以及医疗保健行业的胰岛素泵等给药器械。

然而，设计 UPS 可能具有挑战性，特别是在空间有限的情况下。此外，对于许多无法承受电能从存储系统流回电源的应用而言，还需要进行精心设计。

考虑采用集成方法，将多个转换器和充电电路替换成单个元器件，便可降低此类设计的难度。这种集成方法可简化电路设计，更易于确保在备用电源运行期间没有电流流回电源。

本文概述了 UPS 设计难点并介绍了一种传统解决方案。随后，本文介绍了一种简化的集成式替代方法，该方法基于 Analog Devices 的降压/升压开关稳压器。

使用超级电容器作为储能器

图 1 显示了一种传统的 UPS 设计方法。在此示例中，UPS 为 24 VDC 传感器供电。该传感器的电路需要 3.3 V 和 5 V 输入。当系统电压可用时，UPS 使用线性稳压器为超级电容器充电。如果系统电压下降，电容器中的电能就会通过升压稳压器升至所需的供电电压水平。

图 1：该 UPS 在系统电压正常时为超级电容器充电，在系统电压下降时汲取其中的电能。（图片来源：Analog Devices）

如果 24 V 电源还用于为传感器以外的其他电路元件供电，则应并入超级电容器，使其仅为传感器电路供电，而不为与 24 V 线路相关的其他电子设备供电。当电路处于备用模式时，二极管“D”可防止发生这种情况。

虽然这种系统运转良好，但可能难以实施，因为它需要使用多个电压转换器。此外，如果空间有限，可能也是一项挑战。图 2 显示了另一种替代方法。该方法采用单个备用稳压器来替代图 1 所示电路中的多个稳压器，不仅能节省空间，还能简化设计。

图 2：集成式备用稳压器可使 UPS 的设计更加简单和紧凑。（图片来源：Analog Devices）

集成式备用解决方案

图 2 所示的设计理念可通过 Analog Devices 的 MAX38889 降压/升压开关稳压器来实现。这是一款灵活而紧凑的储能电容器或电容器组备用稳压器，可在存储元件与系统电源轨之间有效地传输电能。该器件尺寸为 3 x 3 mm，从 0.5 至 5.5 V 的超级电容器输入 (VCAP)，在 3 A 最大电流 (ISYSMAX) 下可产生 2.5 至 5.5 V 的输出 (VSYS)（图 3）。该稳压器的工作温度范围为 -40°C 至 +125°C。

图 3：对于基于 MAX38889 的 UPS，给定 VSYS 的 ISYSMAX 取决于 VCAP。（图片来源：Analog Devices）

当主电源接通且其电压高于系统供电电压最小阈值时，该稳压器能以最大 3 A 的峰值电流和 1.5 A 的平均电感电流为超级电容器充电。超级电容器充满电后，在保持就绪状态时，静态电流只有 4 μA。超级电容器在作为备用电源运行前必须达到满充状态。

当主电源断开且超级电容器充满电时，该稳压器可防止系统降至设定的系统备用工作电压 (VBACKUP) 以下。该器件通过使超级电容器放电电压升至 VSYS（即稳压系统电压）来实现此目的。在备用电源运行期间，MAX38889 采用自适应导通时间和限流脉冲频率调制 (PFM) 控制方案。

稳压器的外部引脚可控制各种设置，例如最大超级电容器电压 (VCAPMAX)、VSYS，以及峰值电感充电和放电电流。

MAX38889 具有真关断功能，可将 SYS 与 CAP 断开，并在 VCAP 大于 VSYS 时防止 SYS 短路。通过分别使 ENC 和 ENB 引脚保持低电平，可禁用充电和备用功能（图 4）。

图 4：通过 MAX38889 的外部引脚可设置最大超级电容器电压 VCAPMAX、VSYS，以及峰值电感充电和放电电流；备用系统状态可通过 RDY 标志进行监控。（图片来源：Analog Devices）

备用系统状态可通过两个状态输出进行监控：就绪状态 (RDY) 标志（指示超级电容器的充电时间）和备用状态 (BKB) 标志（指示备用电源运行状态）。

超级电容器选型

图 5 显示了基于 MAX38889 的 UPS 的简化应用电路。充电期间，VCAPMAX 由驱动 FBCH 引脚的电阻分压器决定。在此示例中，电阻值 R1 = 1.82 MΩ、R2 = 402 kΩ 和 R3 = 499 kΩ 可确保 VCAPMAX 设置为 2.7 V。超级电容器以最大 3 A 的峰值和 1.5 A 的平均电感电流充电。放电期间，峰值电感电流为 3 A。

图 5：图示为基于 MAX38889 的 UPS 的简化应用电路。超级电容器以最大 3 A 的峰值和 1.5 A 的平均电感电流充电。放电期间，峰值电感电流为 3 A。（图片来源：Analog Devices）

在为备用电源运行选择超级电容器时，需要格外注意。当主电源出现故障时，负载功率由 MAX38889 提供，该器件利用超级电容器作为能量来源，在备用或升压模式下运行。超级电容器在其最小调节供电电压下可提供的功率必须大于系统所需的功率。

当 MAX38889 的工作电压接近 VCAPMAX 时，该器件可为超级电容器提供恒功率负载，导致从中汲取的电流变小。但是，当超级电容器放电（且电压降低）时，从中汲取的电流就会增加，以维持负载的恒功率。在备用电源运行期间 (TBACKUP)，备用模式下所需的能量为连续备用功率的乘积 (VSYS x ISYS)。

使用公式 1 可计算出超级电容器中可用的能量值（以焦耳 [J] 为单位）(CSC)：

 公式 1

使用公式 2 可计算出完成备用电源运行所需的能量值：

 公式 2

其中 ISYS 为备用期间的负载电流。

由于备用事件期间负载所需的能量由超级电容器提供，假设转换效率 (η) 并给定所需的 TBACKUP，则使用公式 3 可确定所需的 CSC 值（以法拉 [F] 为单位）：

 公式 3

以图 5 所示的应用电路为例，假设系统负载为 200 mA，平均效率为 93%，备用时间为 10 s，则所需的超级电容器最小值为：

 公式 4

图 6 显示了图 5 所示应用电路的充电和放电曲线。

图 6：图 5 所示应用电路的充电和放电曲线。VSYS = 3.6 V，VCAP = 2.7 V，VBACKUP = 3 V。（图片来源：Analog Devices）

着手使用评估板

MAX38889AEVKIT# 电容器充电器电源管理评估板提供灵活的电路，可评估降压/升压备用稳压器，并测试基于 MAX38889 和超级电容器的 UPS。外部元器件支持各种系统和超级电容器电压以及充电和放电电流。

该评估板包含三个分流器：ENC（启用充电）、ENB（启用备用）和 LOAD（图 7）。在 ENC 分流器设在位置 1-2 的情况下，当 VSYS 高于充电阈值时启用充电。在 ENB 分流器设在位置 1-2 的情况下，当 VSYS 降至备用阈值以下时启用备用。LOAD 可设为位置 1-2 以进入测试模式，其中 4.02 Ω 负载跨接到 VSYS，并接地以模拟放电场景。如果分流器仅连接到一个引脚，该评估板将进入正常工作模式。

图 7：MAX38889AEVKIT 提供灵活的电路，可评估 MAX38889 降压/升压超级电容器备用稳压器。（图片来源：Analog Devices）

当主电池提供的电压超过充电所需的最低系统电压时，MAX38889 稳压器以 1.5 A 的平均电流为超级电容器充电，VFBCH = 0.5 V，电阻器 R1 = 499 kΩ、R2 = 402 kΩ、R3 = 1.82 MΩ 时，VCAPMAX = 2.7 V。

EVKIT VBACKUP 由电阻器 R5 (1.21 MΩ) 和 R6 (1.82 MΩ) 设置为 3 V，VFBS = 1.2 V。这表明当主电池断开且 VFBS 降至 1.2 V 时，MAX38889 会从超级电容器汲取电能并将 VSYS 调节至 VBACKUP。

MAX38889A EVKIT 提供 RDY 测试点来监控超级电容器充电状态。当 FBCR 引脚电压超过 0.5 V 的 FBCR 电压阈值（由 R1、R2 和 R3 设置）时，RDY 测试点为高电平。这意味着当 VCAP 超过 1.5 V 时，RDY 会升高。同样，在超级电容器提供备用的情况下，当超级电容器提供的电压低于 1.5 V 时，RDY 标志会降低。

EVKIT 还提供 BKB 测试点来监控系统备用状态。当系统提供备用电源时，BKB 被拉低；当系统正在充电或处于空闲状态时，BKB 被拉高。

电阻器 (R4) 可设置 ISET 与接地 (GND) 之间的峰值电感器电流。根据以下公式，33 kΩ 的电阻值将峰值电感电流设置为 3 A：峰值充电电流 (ILX_CHG) = 3 A x (33 kΩ/R4)（图 8）。

图 8：图示为 MAX38889 评估板的原理图；该器件使用 11 F 超级电容器运行，并提供测试点来监控 VCAP、VSYS、RDY 和 BKB。（图片来源：Analog Devices）

总结

超级电容器可用作 UPS 的储能元件。传统的 UPS 拓扑采用多个稳压器，这些稳压器需要占用大量空间，因此设计起来很棘手。采用集成式降压/升压稳压器可将多个转换器和充电电路替换成单个紧凑型元器件，从而降低此类设计的难度。