Projete uma UPS simples e compacta baseada em um supercapacitor

Uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS), também conhecida como no-break, é vital para aplicações como proteção de dados em armazenamento RAID (conjunto redundante de discos independentes), telemetria automotiva para operações de segurança e dispositivos de administração de medicamentos, como bombas de insulina na área da saúde.

No entanto, projetar uma UPS pode ser um desafio, especialmente se o espaço for limitado. Além disso, é necessário um projeto cuidadoso para a maioria das aplicações que não toleram fluxos de energia vindos do sistema de armazenamento de volta para a fonte de alimentação.

Esses desafios de projeto podem ser facilitados considerando-se uma abordagem integrada, na qual vários conversores e circuitos de carga são substituídos por um único componente. Essa abordagem integrada simplifica o projeto do circuito e facilita a garantia de que nenhuma corrente retorne à fonte de alimentação durante a operação de backup.

Este artigo descreve os desafios do projeto de UPS e apresenta uma solução convencional. Em seguida, o artigo apresenta uma alternativa simplificada e integrada baseada em um regulador de chaveamento buck/boost da Analog Devices.

Usando um supercapacitor como reserva de energia

A Figura 1 mostra uma abordagem convencional para o projeto de uma UPS. Neste exemplo, a UPS alimenta um sensor de 24 volts CC (V_CC). O circuito do sensor requer uma entrada de 3,3 e 5 volts. A UPS usa um regulador linear para carregar um supercapacitor quando a tensão do sistema está disponível. Se a tensão do sistema cair, a energia no capacitor é aumentada para o nível de tensão de alimentação necessário com um regulador elevador.

Figura 1: Esta UPS carrega um supercapacitor enquanto a tensão do sistema está normal e utiliza essa energia quando a tensão do sistema cai. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Se a fonte de 24 volts também for usada para alimentar outros elementos do circuito além dos sensores, o supercapacitor deverá ser incorporado de modo a alimentar somente o circuito do sensor e não os outros componentes eletrônicos associados à linha de 24 volts. O diodo "D" impede que isso aconteça quando o circuito está no modo de backup.

Esse sistema funciona bem, mas pode ser difícil de implementar porque usa vários conversores de tensão. Também pode ser um desafio se o espaço for limitado. A Figura 2 ilustra uma abordagem alternativa. Essa abordagem usa um único regulador de backup para substituir os vários reguladores no circuito mostrado na Figura 1, economizando espaço e simplificando o projeto.

Figura 2: Um regulador de backup integrado torna os projetos de UPS mais simples e compactos. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Uma solução de backup integrada

O conceito de projeto ilustrado na Figura 2 pode ser realizado usando o regulador de chaveamento buck/boost MAX38889 da Analog Devices. Este é um regulador de backup de armazenamento flexível e compacto feito de capacitor ou banco de capacitores para transferir energia de forma eficiente entre um elemento de armazenamento e uma trilha de alimentação do sistema. Ele mede 3 x 3 milímetros (mm) e produz 2,5 a 5,5 volts (V_SYS) em uma corrente máxima de 3 amperes (A) (I_SYSMAX) a partir de uma entrada de supercapacitor (V_CAP) de 0,5 a 5,5 volts (Figura 3). A faixa de temperatura operacional do regulador é de -40 °C a +125 °C.

Figura 3: Para uma UPS baseada no MAX38889, o I_SYSMAX para um determinado V_SYS depende do V_CAP. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Quando a fonte de alimentação principal está presente e sua tensão está acima do limite mínimo da tensão de alimentação do sistema, o regulador carrega o supercapacitor com um pico máximo de 3 A e uma corrente média do indutor de 1,5 A. Quando o supercapacitor está totalmente carregado, ele consome apenas 4 microamperes (µA) de corrente quiescente enquanto mantém um estado de prontidão. O supercapacitor deve estar totalmente carregado para permitir a operação de backup.

Quando a alimentação principal é removida e o supercapacitor está totalmente carregado, o regulador impede que o sistema caia abaixo da tensão operacional de backup definida (V_BACKUP). Ele faz isso aumentando a tensão de descarga do supercapacitor para V_SYS, a tensão regulada do sistema. Durante a operação de backup, o MAX38889 usa um esquema de controle de modulação de frequência por pulso (PFM) adaptativo, no tempo e com limitação de corrente.

Os pinos externos do regulador permitem o controle de várias configurações, como a tensão máxima do supercapacitor (V_CAPMAX), V_SYS e a corrente de pico de carga e descarga do indutor.

O MAX38889 implementa um recurso de desligamento real, desconectando o SYS do CAP e protegendo contra um curto-circuito do SYS se V_CAP > V_SYS. O carregamento e o backup podem ser desativados mantendo os pinos ENC e ENB em nível baixo, respectivamente (Figura 4).

Figura 4: Os pinos externos do MAX38889 permitem a configuração da tensão máxima do supercapacitor V_CAPMAX, V_SYS e da corrente de pico de carga e descarga do indutor; o status do sistema de backup pode ser monitorado por meio do sinalizador RDY. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O status do sistema de backup pode ser monitorado por meio de duas saídas de status: o sinalizador de status de prontidão (RDY), que indica quando o supercapacitor está carregado, e o sinalizador de status de backup (BKB), que indica a operação de backup.

Seleção de supercapacitores

A Figura 5 mostra um circuito de aplicação simplificado para a UPS baseada no MAX38889. O V_CAPMAX durante o carregamento é determinado pelo divisor resistivo que aciona o pino FBCH. Nesse exemplo, os valores do resistor R1 = 1,82 megaohms (MΩ), R2 = 402 quilohms (kΩ) e R3 = 499 kΩ garantem que o V_CAPMAX seja definido para 2,7 volts. O supercapacitor é carregado com um pico máximo de 3 A e uma corrente média do indutor de 1,5 A. Durante a descarga, a corrente de pico do indutor é de 3 A.

Figura 5: É mostrado um circuito de aplicação simplificado para uma UPS baseada no MAX38889. O supercapacitor é carregado com um pico máximo de 3 A e uma corrente média do indutor de 1,5 A. Durante a descarga, a corrente de pico do indutor é de 3 A. (Fonte da imagem: Analog Devices)

É necessário cuidado ao selecionar o supercapacitor para a operação de backup. Quando a fonte de alimentação principal falha, a alimentação da carga é fornecida pelo MAX38889 operando em modo de backup ou boost usando o supercapacitor como fonte de energia. A potência que o supercapacitor pode fornecer em sua tensão de alimentação de regulagem mínima deve ser maior do que a exigida pelo sistema.

O MAX38889 apresenta uma carga de energia constante para o supercapacitor, fazendo com que menos corrente seja extraída dele quando opera próximo ao valor V_CAPMAX. No entanto, a corrente consumida pelo supercapacitor aumenta à medida que ele se descarrega (e a tensão cai) para manter a potência constante da carga. A energia necessária no modo de backup é o produto da potência de backup contínua (V_SYS x I_SYS) pela duração da operação de backup (T_BACKUP).

A quantidade de energia em joules (J) disponível no supercapacitor (C_SC) é calculada usando a Equação 1:

 Equação 1

A quantidade de energia necessária para concluir a operação de backup é calculada usando a Equação 2:

 Equação 2

Onde I_SYS é a corrente de carga durante o backup.

Como a energia necessária para a carga durante o evento de backup é fornecida pelo supercapacitor, supondo uma eficiência de conversão (η) e dado um T_BACKUP necessário, o valor de C_SC necessário em farads (F) é determinado usando a Equação 3:

 Equação 3

Usando o circuito de aplicação mostrado na Figura 5 como exemplo, supondo uma carga de sistema de 200 miliamperes (mA), uma eficiência média de 93% e um tempo de backup de 10 segundos (s), o valor mínimo do supercapacitor necessário é:

 Equação 4

A Figura 6 mostra as curvas de carga e descarga para o circuito de aplicação mostrado na Figura 5.

Figura 6: Curvas de carga e descarga para o circuito de aplicação mostrado na Figura 5. V_SYS = 3,6 volts, V_CAP = 2,7 volts, V_BACKUP = 3 volts. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Comece a usar uma placa de teste

A placa de teste de gerenciamento de energia do carregador de capacitor MAX38889AEVKIT# fornece um circuito flexível para avaliar o regulador de backup buck/boost e testar uma UPS baseada no MAX38889 e em um supercapacitor. Os componentes externos permitem uma ampla gama de tensões do sistema e do supercapacitor, bem como correntes de carga e descarga.

A placa incorpora três derivações: ENC (carregamento habilitado), ENB (backup habilitado) e LOAD (carga) (Figura 7). Com a derivação ENC definida na posição 1-2, o carregamento é ativado quando V_SYS está acima do limite de carregamento. Com a derivação ENB definida na posição 1-2, o backup é ativado quando V_SYS cai abaixo do limite de backup. A derivação LOAD pode ser ajustada na posição 1-2 para entrar em um modo de teste no qual uma carga de 4,02 ohm (Ω) é conectada entre V_SYS e o terra para simular um cenário de descarga. A placa entra no modo de operação normal se a derivação estiver conectada a apenas um pino.

Figura 7: O MAX38889AEVKIT oferece um circuito flexível para avaliar o regulador de backup de supercapacitor buck/boost MAX38889. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Quando a bateria principal fornece mais do que a tensão mínima do sistema necessária para o carregamento, o regulador MAX38889 carrega o supercapacitor com uma corrente média de 1,5 A. Com V_FBCH = 0,5 volts e com os resistores R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ e R3 = 1,82 MΩ, então V_CAPMAX = 2,7 volts.

O V_BACKUP do EVKIT é definido para 3 volts pelos resistores R5 (1,21 MΩ) e R6 (1,82 MΩ) com V_FBS = 1,2 volts. Isso significa que, quando a bateria principal é removida e o V_FBS cai para 1,2 volts, o MAX38889 retira energia do supercapacitor e regula o V_SYS para V_BACKUP.

O EVKIT MAX38889A fornece um ponto de teste RDY para monitorar o status de carga do supercapacitor. O ponto de teste RDY é alto quando a tensão do pino FBCR ultrapassa o limite de tensão FBCR de 0,5 volts (definido por R1, R2 e R3). Isso significa que o RDY fica alto quando o V_CAP excede 1,5 volts. Da mesma forma, quando o supercapacitor fornece backup, o sinalizador RDY fica baixo quando o supercapacitor fornece menos de 1,5 volts.

O EVKIT também fornece um ponto de teste BKB para monitorar o status de backup do sistema. O BKB é levado para nível baixo quando o sistema fornece energia de backup e levado para nível alto quando o sistema está carregando ou em um estado ocioso.

Um resistor (R4) define a corrente de pico do indutor entre ISET e o terra (GND). Um valor de resistor de 33 kΩ define a corrente de pico do indutor para 3 A de acordo com a fórmula: corrente de pico de carga (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (Figura 8).

Figura 8: É mostrado um esquema da placa de teste do MAX38889; ela opera usando um supercapacitor de 11 F e fornece pontos de teste para monitorar V_CAP, V_SYS, RDY e BKB. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conclusão

Um supercapacitor pode ser usado como elemento de armazenamento de energia para uma UPS ou no-break. As topologias convencionais de UPS usam vários reguladores de tensão que ocupam um espaço significativo, o que dificulta o projeto. Uma abordagem de regulador buck/boost integrado facilita esses desafios de projeto, substituindo vários conversores e circuitos de carga por um único componente compacto.