Diseño de un UPS sencillo y compacto basado en un supercapacitor

Una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) es vital para aplicaciones como la protección de datos en almacenamiento con matriz redundante de discos independientes (RAID), telemetría en automoción para operaciones de seguridad y dispositivos de administración de medicamentos como bombas de insulina en sanidad.

Sin embargo, diseñar un UPS puede ser todo un reto, sobre todo si el espacio es limitado. Además, es necesario un diseño cuidadoso para las numerosas aplicaciones que no pueden tolerar flujos de energía desde el sistema de almacenamiento de vuelta a la fuente de alimentación.

Estos problemas de diseño pueden resolverse con un planteamiento integrado que sustituya los convertidores y circuitos de carga por un único componente. Este enfoque integrado simplifica el diseño del circuito y facilita la garantía de que no fluya corriente de vuelta a la fuente de alimentación durante el funcionamiento de reserva.

En este artículo se describen los retos que plantea el diseño de UPS y se presenta una solución convencional. El artículo presenta una alternativa simplificada e integrada basada en un regulador elevador/reductor de Analog Devices.

Utilizar un supercapacitor como depósito de energía

La figura 1 muestra un enfoque convencional del diseño de un UPS. En este ejemplo, el UPS alimenta un sensor de 24 voltios CC (V_CC). El circuito de sensores requiere una entrada de 3.3 y 5 voltios. El UPS utiliza un regulador lineal para cargar un supercapacitor cuando la tensión del sistema está disponible. Si la tensión del sistema baja, la energía del condensador se eleva al nivel de tensión de alimentación necesario con un regulador elevador.

Figura 1: Este UPS carga un supercapacitor mientras la tensión del sistema es normal y aprovecha esa energía cuando la tensión del sistema cae. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Si la alimentación de 24 voltios se utiliza también para alimentar otros elementos del circuito además de los sensores, el supercapacitor debe incorporarse de forma que sólo alimente el circuito de sensores y no los demás componentes electrónicos asociados a la línea de 24 voltios. El diodo "D" impide que esto ocurra cuando el circuito está en modo de reserva.

Este sistema funciona bien, pero puede ser difícil de implantar porque utiliza varios convertidores de voltaje. También puede ser un reto si el espacio es limitado. La figura 2 ilustra un enfoque alternativo. Este enfoque utiliza un único regulador de reserva para sustituir a los múltiples reguladores del circuito de la Figura 1, ahorrando espacio y simplificando el diseño.

Figura 2: Un regulador de reserva integrado hace que los diseños de UPS sean más sencillos y compactos. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Una solución de copia de seguridad integrada

El concepto de diseño ilustrado en la Figura 2 puede realizarse utilizando el regulador elevador/reductor MAX38889 de Analog Devices. Se trata de un condensador de almacenamiento flexible y compacto o de un regulador de reserva de batería de condensadores para transferir potencia de forma eficiente entre un elemento de almacenamiento y un carril de alimentación del sistema. Mide 3 x 3 milímetros (mm) y emite de 2.5 a 5.5 voltios (V_SYS) a una corriente máxima de 3 amperios (A) (I_SYSMAX) a partir de una entrada de supercapacitor (V_CAP) de 0.5 a 5.5 voltios (Figura 3). El rango de temperatura de funcionamiento del regulador es de -40 °C a +125 °C.

Figura 3: Para un SAI basado en el MAX38889, el I_SYSMAXpara un V_SYS dado depende de V_CAP. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Cuando la fuente de alimentación principal está presente y su tensión es superior al umbral mínimo de tensión de alimentación del sistema, el regulador carga el supercapacitor con una corriente de inductor máxima de 3 A de pico y 1.5 A de media. Una vez que el supercapacitor está completamente cargado, consume solo 4 microamperios (µA) de corriente de reposo mientras se mantiene en estado de preparado. El supercapacitor debe estar completamente cargado para permitir el funcionamiento de reserva.

Cuando se retira la alimentación principal y el supercapacitor está completamente cargado, el regulador evita que el sistema caiga por debajo de la tensión de funcionamiento de reserva del sistema (V_BACKUP) establecida. Para ello, eleva la tensión de descarga del supercapacitor a V_SYS, la tensión regulada del sistema. Durante el funcionamiento de reserva, el MAX38889 utiliza un esquema de control de modulación de la frecuencia del pulso (PFM) adaptativo, a tiempo y con limitación de corriente.

Los pines externos del regulador permiten controlar varios ajustes, como la tensión máxima del supercapacitor (V_CAPMAX), el V_SYS y la corriente de carga y descarga pico del inductor.

El MAX38889 implementa una función True Shutdown, desconectando SYS de CAP y protegiendo contra un cortocircuito SYS si V_CAP > V_SYS. La carga y la copia de seguridad pueden desactivarse manteniendo bajos los pines ENC y ENB, respectivamente (Figura 4).

Figura 4: Las clavijas externas del MAX38889 permiten ajustar el voltaje máximo del supercapacitor V_CAPMAX, V_SYS y la corriente pico de carga y descarga del inductor; el estado del sistema de reserva se puede supervisar a través del indicador RDY. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El estado del sistema de reserva puede controlarse a través de dos salidas de estado: el indicador de estado listo (RDY), que indica cuándo está cargado el supercapacitor, y el indicador de estado de reserva (BKB), que indica el funcionamiento de la reserva.

Selección de supercapacitores

La figura 5 muestra un circuito de aplicación simplificado para el UPS basado en el MAX38889. V_CAPMAX durante la carga se determina por la resistencia que conduce al pin FBCH. En este ejemplo, los valores de resistencia de R1 = 1.82 megaohmios (MΩ), R2 = 402 kilohmios (kΩ) y R3 = 499 kΩ garantizan que el V_CAPMAX se ajuste a 2.7 voltios. El supercapacitor se carga con una corriente inductora máxima de 3 A de pico y 1.5 A de media. Durante la descarga, el pico de corriente del inductor es de 3 A.

Figura 5: Se muestra un circuito de aplicación simplificado para un SAI basado en el MAX38889. El supercapacitor se carga con una corriente inductora máxima de 3 A de pico y 1.5 A de media. Durante la descarga, la corriente máxima del inductor es de 3 A. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Hay que tener cuidado al seleccionar el supercapacitor para el funcionamiento de reserva. Cuando falla la fuente de alimentación principal, la alimentación de carga la proporciona el MAX38889 funcionando en modo de reserva o de refuerzo utilizando el supercapacitor como fuente de energía. La potencia que puede suministrar el supercapacitor a su tensión de alimentación mínima regulable debe ser superior a la que necesita el sistema.

El MAX38889 presenta una carga de potencia constante al supercapacitor, lo que hace que se extraiga menos corriente de él cuando funciona cerca de V_CAPMAX. Sin embargo, la corriente extraída del supercapacitor aumenta a medida que se descarga (y el voltaje cae) para mantener la potencia constante de la carga. La energía necesaria en modo de reserva es el producto de la potencia de reserva continua (V_SYS x_ISYS) por la duración del funcionamiento de reserva (T_BACKUP).

La cantidad de energía en julios (J) disponible en el supercapacitor (C_SC) se calcula mediante la ecuación 1:

Ecuación 1

La cantidad de energía necesaria para completar la operación de reserva se calcula mediante la ecuación 2:

Ecuación 2

Donde I_SYS es la corriente de carga durante el respaldo.

Dado que la energía necesaria para la carga durante el evento de respaldo es suministrada por el supercapacitor, asumiendo una eficiencia de conversión (η) y dado un T_BACKUP requerido, el valor de C_SC requerido en faradios (F) se determina utilizando la Ecuación 3:

Ecuación 3

Utilizando como ejemplo el circuito de aplicación de la Figura 5, suponiendo una carga del sistema de 200 miliamperios (mA), un rendimiento medio del 93% y un tiempo de reserva de 10 segundos (s), el valor mínimo del supercapacitor necesario es:

Ecuación 4

La figura 6 muestra las curvas de carga y descarga del circuito de aplicación de la figura 5.

Figura 6: Curvas de carga y descarga del circuito de aplicación de la figura 5. V_SYS = 3.6 voltios, V_CAP = 2.7 voltios, V_BACKUP = 3 voltios. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Empieza con una placa de evaluación

La placa de evaluación de gestión de potencia de carga del capacitor MAX38889AEVKIT# proporciona un circuito flexible para evaluar el regulador elevador/reductor de reserva y probar un UPS basado en el MAX38889 y un supercapacitor. Los componentes externos permiten un amplio rango de voltajes del sistema y del supercapacitor, así como de corrientes de carga y descarga.

La placa incorpora tres derivaciones: ENC (carga habilitada), ENB (respaldo habilitado) y LOAD (carga) (Figura 7). Con la derivación ENC ajustada en la posición 1-2, la carga se activa cuando V_SYS está por encima del umbral de carga. Con la derivación ENB ajustada en la posición 1-2, la copia de seguridad se activa cuando V_SYS cae por debajo del umbral de copia de seguridad. La derivación LOAD puede ajustarse en la posición 1-2 para entrar en un modo de prueba en el que una carga de 4,02 ohmios (Ω) se conecta a través de V_SYS y tierra para simular un escenario de descarga. La placa entra en modo de funcionamiento normal si la derivación sólo está conectada a un pin.

Figura 7: El MAX38889AEVKIT proporciona un circuito flexible para evaluar el regulador de reserva de supercapacitor elevador/reductor MAX38889. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Cuando la batería principal proporciona más de la tensión mínima del sistema necesaria para la carga, el regulador MAX38889 carga el supercapacitor con una corriente media de 1.5 A. con V_FBCH = 0.5 voltios y con las resistencias R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ y R3 = 1.82 MΩ, entonces V_CAPMAX= 2.7 voltios.

El EVKIT V_BACKUP se ajusta a 3 voltios mediante las resistencias R5 (1.21 MΩ) y R6 (1.82 MΩ) con V_FBS = 1.2 voltios. Esto dicta que cuando se retira la batería/pila principal y V_FBS cae a 1.2 voltios, el MAX38889 toma energía del supercapacitor y regula el V_SYS a V_BACKUP.

El MAX38889A EVKIT proporciona un punto de prueba RDY para monitorizar el estado de carga del supercapacitor. El punto de prueba RDY es alto cuando el voltaje del pin FBCR cruza el umbral de voltaje FBCR de 0.5 voltios (fijado por R1, R2 y R3). Esto significa que el RDY se pone alto cuando el V_CAP supera los 1.5 voltios. Del mismo modo, cuando el supercapacitor proporciona respaldo, la bandera RDY se pone baja cuando el supercapacitor proporciona menos de 1.5 voltios.

El EVKIT también proporciona un punto de prueba BKB para supervisar el estado de copia de seguridad del sistema. El BKB se pone a nivel bajo cuando el sistema proporciona alimentación de reserva, y a nivel alto cuando el sistema se está cargando o se encuentra en estado de reposo.

Una resistencia (R4) fija el pico de corriente inductora entre ISET y tierra (GND). Un valor de resistencia/resistor de 33 kΩ establece la corriente pico del inductor en 3 A según la fórmula: Corriente de carga pico (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (Figura 8).

Figura 8: Se muestra un esquema de la placa de evaluación MAX38889; funciona con un supercapacitor de 11 F y proporciona puntos de prueba para monitorizar V_CAP, V_SYS, RDY y BKB. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Conclusión:

Un supercapacitor puede utilizarse como elemento de almacenamiento de energía para un UPS. Las topologías de UPS convencionales utilizan múltiples reguladores de voltaje que ocupan un espacio considerable, lo que dificulta su diseño. Un regulador elevador/reductor integrado resuelve estos problemas de diseño sustituyendo varios convertidores y circuitos de carga por un único componente compacto.