תכנן UPS פשוט וקומפקטי המבוסס על קבל-על

ספק כוח אל-פסק (UPS) הוא חיוני עבור יישומים כגון הגנה על נתונים באחסון מערך יתיר של דיסקים עצמאיים (RAID), טלמטריה לרכב עבור פעולות בטיחות, והתקני מתן תרופות כגון משאבות אינסולין בתחום הבריאות.

עם זאת, תכנון UPS יכול להיות מאתגר, במיוחד אם המקום מוגבל. זאת ועוד, נדרש תכנון קפדני עבור היישומים הרבים שאינם יכולים לשאת זרמי אנרגיה ממערכת האחסון בחזרה לספק הכוח.

ניתן להקל על אתגרי תכנון אלה על ידי בחינת גישה משולבת לפיה מספר ממירים ומעגלי טעינה מוחלפים ברכיב בודד. גישה משולבת זו מפשטת תכנון מעגלים ומקלה על ההבטחה שלא זורם זרם חזרה לספק הכוח במהלך פעולת הגיבוי.

מאמר זה מתאר את אתגרי התכנון של ספקי כוח אל-פסק ומציג פתרון קונבנציונלי. אחר כך, המאמר מציג חלופה משולבת, מפושטת, המבוססת על מייצב ממותג Buck/Boost מבית Analog Devices.

שימוש בקבל־על כמאגר אנרגיה

איור 1 מראה גישה קונבנציונלית לתכנון UPS. בדוגמה זו ה-UPS מזין חיישן 24 וולט DC‏ (V_DC). מעגל החיישן דורש כניסה של 3.3 ו-5 וולט. ה-UPS משתמש במייצב ליניארי כדי לטעון קבל-על כשמתח המערכת זמין. אם מתח המערכת נופל, האנרגיה בקבל מוגברת לרמת מתח האספקה הנדרשת באמצעות מייצב מעלה מתח.

איור 1: ‏UPS זה טוען קבל-על בזמן שמתח המערכת תקין וצורך מאנרגיה זו כשמתח המערכת נופל. (מקור תמונה: Analog Devices)

אם אספקת ה-24 וולט משמשת גם להזנת רכיבי מעגל אחרים מעבר לחיישנים, יש לשלב את קבל-העל כך שהוא מפעיל רק את מעגל החיישן ולא את האלקטרוניקה האחרת הקשורה לקו ה-24 וולט. דיודה "D" מונעת זאת כשהמעגל נמצא במצב גיבוי.

מערכת זו עובדת היטב אך יכולה להיות קשה ליישום כי היא משתמשת במספר ממירי מתח. הדבר יכול גם להיות מאתגר אם יש מגבלת מקום. איור 2 מדגים גישה חלופית. גישה זו משתמשת במייצב גיבוי יחיד כדי להחליף את המייצבים המרובים במעגל המוצג באיור 1, תוך חיסכון במקום ופישוט התכנון.

איור 2: מייצב גיבוי משולב הופך תכני UPS לפשוטים וקומפקטיים יותר. (מקור תמונה: Analog Devices)

פתרון גיבוי משולב

עיקרון התכנון המוצג באיור 2 ניתן למימוש על ידי שימוש במייצב ממותג Buck/Boost‏ MAX38889 של Analog Devices. זהו מייצב גיבוי קבל אחסון או בנק קבלים גמיש וקומפקטי עבור העברת אנרגיה באופן יעיל בין רכיב אחסון למסילת אספקה של מערכת. מידותיו 3‏ x‏ 3‏ מילימטר (מ"מ) והוא מפיק ביציאה 2.5 עד 5.5 וולט (V_SYS) בזרם מקסימלי של 3 אמפר (A‏) (I_SYSMAX) מכניסת קבל-על (V_CAP) של 0.5 עד 5.5 וולט (איור 3). תחום טמפרטורות העבודה של המייצב הוא ‎-40°C עד ‎+125°C‎.

איור 3: עבור UPS המבוסס על ה-MAX38889, ה-I_SYSMAX עבור V_SYS נתון תלוי ב-V_CAP. (מקור תמונה: Analog Devices)

כשספק הכוח הראשי נוכח, והמתח שלו הוא מעל הסף המינימלי של מתח האספקה למערכת, המייצב טוען את קבל-העל בזרם משרן שיא מקסימלי של ‎3 A וממוצע של ‎1.5 A. ברגע שקבל-העל טעון במלואו, הוא מושך רק זרם רוגע של 4 מיקרו-אמפר (µA) תוך שמירה על מצב מוכן. קבל-העל חייב להיות טעון במלואו כדי לאפשר פעולת גיבוי.

כשהאספקה הראשית מוסרת וקבל-העל טעון במלואו, המייצב מונע מהמערכת נפילה אל מתחת למתח העבודה של גיבוי המערכת שהוגדר (V_BACKUP). הוא עושה זאת על ידי הגברת מתח פריקת קבל-העל ל-V_SYS, מתח המערכת המיוצב. במהלך פעולת הגיבוי, ה-MAX38889 משתמש בשיטת בקרת אפנון תדר דופק (PFM) מוגבלת-זרם, ניתנת להתאמה, בזמן מצב-מופעל.

הפינים החיצוניים של המייצב מאפשרים שליטה על הגדרות שונות, כגון מתח קבל-על מקסימלי (V_CAPMAX‏), V_SYS וזרם משרן שיא של טעינה ופריקה.

ה-MAX38889 מיישם פעולת כיבוי אמיתית, על ידי ניתוק SYS מ-CAP והגנה מפני קצר SYS אם V_CAP > V_SYS. ניתן להשבית טעינה וגיבוי על ידי שמירה על פינים ENC ו-ENB ברמה לוגית נמוכה, בהתאמה (איור 4).

איור 4: הפינים החיצוניים של ה-MAX38889 מאפשרים הגדרות של מתח קבל-על מקסימלי V_CAPMAX‏, V_SYS וזרם משרן שיא של טעינה ופריקה. (מקור תמונה: Analog Devices)

ניתן לנטר את סטטוס מערכת הגיבוי באמצעות שתי יציאות סטטוס: דגלון הסטטוס 'מוכן' (RDY), המציין מתי קבל-העל טעון, ודגלון הסטטוס 'גיבוי' (BKB), המציין פעולת גיבוי.

בחירת קבל-על

איור 5 מציג מעגל יישום מפושט עבור ה-UPS מבוסס על ה-MAX38889. ה-V_CAPMAX במהלך הטעינה נקבע על ידי מחלק-הנגדים הדוחף את פין ה-FBCH. בדוגמה זו, ערכי הנגדים R1‏ = 1.82 מגה-אוהם (MΩ‏), R2‏ = 402 קילו-אוהם (kΩ), ו-R3‏ = ‎499 kΩ מבטיחים שה-V_CAPMAX נקבע ל-2.7 וולט. קבל-העל נטען בזרם משרן שיא מקסימלי של ‎3 A וזרם ממוצע של ‎1.5 A. במהלך פריקה, זרם המשרן שיא הוא ‎3 A.

איור 5: מוצג מעגל יישום מפושט עבור UPS מבוסס על ה-MAX38889. קבל-העל נטען בזרם משרן שיא מקסימלי של ‎3 A וזרם ממוצע של ‎1.5 A. במהלך פריקה, זרם המשרן שיא הוא ‎3 A. (מקור התמונה: Analog Devices)

נדרשת תשומת לב בעת בחירת קבל-העל עבור פעולת גיבוי. כשמקור אספקת הכוח הראשי נכשל, מתח עומס מסופק על ידי ה-MAX38889 הפועל במצב גיבוי או מצב Boost תוך שימוש בקבל-העל כמקור האנרגיה. ההספק שקבל-העל יכול לספק במתח אספקת הייצוב המינימלי שלו חייב להיות גדול ממה שהמערכת דורשת.

ה-MAX38889 מהווה עומס הספק קבוע לקבל-העל, גורם למשיכת זרם פחותה ממנו כשהוא עובד קרוב ל-V_CAPMAX. עם זאת, הזרם הנמשך מקבל-העל גדל עם הפריקה שלו (והמתח יורד) כדי לשמור על הספק קבוע לעומס. האנרגיה הדרושה במצב גיבוי היא המכפלה של הספק הגיבוי הרציף (‎V_SYS x I_SYS) ומשך פעולת הגיבוי (T_BACKUP).

כמות האנרגיה בג'אול (J) הזמינה בקבל-העל (C_SC) מחושבת על ידי שימוש במשוואה 1:

משוואה 1

כמות האנרגיה הדרושה להשלמת פעולת הגיבוי מחושבת על ידי שימוש במשוואה 2:

משוואה 2

כש-I_SYS הוא זרם העומס במהלך הגיבוי.

מאחר והאנרגיה הדרושה עבור העומס במהלך אירוע הגיבוי מסופקת על ידי קבל-העל, בהנחה של יעילות המרה (η) ובהינתן T_BACKUP נדרש, ערך ה-C_SC הנדרש בפאראד (F) נקבע על ידי שימוש במשוואה 3:

משוואה 3

אם נשתמש במעגל היישום המוצג באיור 5 כדוגמה, בהנחה של עומס מערכת של 200 מיליאמפר (mA), נצילות ממוצעת של 93%, וזמן גיבוי של 10 שניות (s), הערך המינימלי של קבל-העל הנדרש הוא:

משוואה 4

איור 6 מציג את עקומות הטעינה והפריקה עבור מעגל היישום המוצג באיור 5.

איור 6: עקומות טעינה ופריקה עבור מעגל היישום המוצג באיור 5. V_SYS‏ = 3.6 וולט, V_CAP‏ = 2.7 וולט, V_BACKUP‏ = 3 וולט. (מקור תמונה: Analog Devices)

צעדים ראשונים עם לוח הערכה

לוח ההערכה ניהול הספק מטען קבל MAX38889AEVKIT#‎ מספק מעגל גמיש להערכת מייצב הגיבוי Buck/Boost ובדיקת UPS בהתבסס על ה-MAX38889 וקבל-על. רכיבים חיצוניים מאפשרים מגוון רחב של מתחי מערכת וקבל-על, כמו גם זרמי טעינה ופריקה.

הלוח כולל שלושה מצדים (Shunts‏): ENC (טעינה מאופשרת), ENB (גיבוי מאופשר) ו-LOAD (איור 7). כשמצד ה-ENC מוגדר במצב 1-2, הטעינה מאופשרת כש-V_SYS הוא מעל סף הטעינה. כשמצד ה-ENB מוגדר במצב 1-2, הגיבוי מאופשר כש-V_SYS יורד מתחת לסף הגיבוי. ניתן להגדיר את מצד ה-LOAD למצב 1-2 כדי להיכנס למצב בדיקה, שבו מחובר עומס של 4.02 אוהם (Ω) בין V_SYS והארקה כדי לדמות תרחיש פריקה. הלוח נכנס למצב פעולה רגיל אם המצד מחובר לפין אחד בלבד.

איור 7: ה-MAX38889AEVKIT מספק מעגל גמיש להערכת מייצב גיבוי קבל-העל Buck/Boost‏ MAX38889. (מקור תמונה: Analog Devices)

כשהסוללה הראשית מספקת יותר ממתח המערכת המינימלי הנדרש לטעינה, מייצב ה-MAX38889 טוען את קבל-העל בזרם ממוצע של ‎1.5 A. עם V_FBCH‏ = 0.5 וולט ועם נגדים R1‏ = ‎499 kΩ‏, R2‏ = ‎402 kΩ, ו-R3‏ = ‎1.82 MΩ, אזי V_CAPMAX‏ = 2.7 וולט.

ה-EVKIT V_BACKUP נקבע ל-3 וולט על ידי נגדים R5‏ (‎1.21 MΩ) ו-R6‏ (‎1.82 MΩ) עם V_FBS‏ = 1.2 וולט. זה מכתיב שכשהסוללה הראשית מוסרת ו-V_FBS יורד ל-1.2 וולט, ה-MAX38889 מושך אנרגיה מקבל-העל ומווסת את V_SYS ל-V_BACKUP.

ה-MAX38889A EVKIT מספק נקודת בדיקה RDY לניטור סטטוס הטעינה של קבל-העל. נקודת הבדיקה RDY היא במצב גבוה כשהמתח של פין ה-FBCR חוצה את סף מתח ה-FBCR של 0.5 וולט (נקבע על ידי R1‏, R2 ו-R3). משמעות הדבר היא ש-RDY עולה למצב גבוה כשה-V_CAP עולה מעל 1.5 וולט. באופן דומה, כשקבל-העל מספק גיבוי, דגלון ה-RDY יורד למצב נמוך כשקבל-העל מספק פחות מ-1.5 וולט.

ה-EVKIT מספק גם נקודת בדיקה BKB כדי לנטר את סטטוס הגיבוי של המערכת. ה-BKB נמשכת למצב נמוך כשהמערכת מספקת הספק גיבוי, ונמשכת למצב גבוה כשהמערכת טוענת או במצב סרק.

נגד (R4) קובע את זרם השיא של המשרן בין ISET להארקה (GND). ערך נגד של ‎33 kΩ קובע את זרם השיא של המשרן ל-‎3 A לפי הנוסחה: זרם טעינה שיא (I_{LX_CHG‏}) = ‎3 A x (33 kΩ/R4)‎ (איור 8).

איור 8: מוצג שרטוט של לוח ההערכה MAX38889; הוא עובד תוך שימוש בקבל-על של ‎11 F ומספק נקודות בדיקה לניטור V_CAP‏, V_SYS‏, RDY ו-BKB. (מקור תמונה: Analog Devices)

סיכום

סופר-קבל יכול לשמש כאלמנט אחסון אנרגיה עבור UPS. טופולוגיות UPS קונבנציונליות משתמשות במספר מייצבי מתח שתופסים מקום משמעותי, דבר ההופך את תכנונם למסובך. גישה של מייצב Buck/Boost משולב מקלה על אתגרי תכנון אלה על ידי החלפת ממירים ומעגלי טעינה מרובים ברכיב קומפקטי יחיד.