設計簡單又緊湊的超級電容型 UPS

不斷電系統 (UPS) 對許多應用來說相當重要，例如獨立磁碟冗餘陣列 (RAID) 儲存裝置的資料保護、協助安全操作的汽車遙測，以及醫療保健領域中的胰島素幫浦等藥物輸送裝置。

但 UPS 的設計難度可能很高，特別是空間有限時。此外，許多應用不允許能源從儲能系統回流到電源供應器，因此設計時必須小心謹慎。

若考慮採用整合式作法，將多個轉換器和充電電路以單一元件取代，就可減輕這些設計難度。這種整合式作法能簡化電路設計，能更輕易防止電流在備援運作時回流到電源供應器。

本文會先概述 UPS 的設計挑戰，再介紹傳統的解決方案。之後會介紹一款簡化的整合式替代方案，該方案以 Analog Devices 的降壓／升壓切換式穩壓器為基礎。

將超級電容當作儲能器使用

圖 1 顯示傳統的 UPS 設計作法。在此範例中，UPS 供電給 24 V_DC 的感測器。感測器電路需要 3.3 V 和 5 V 輸入。系統電壓可用時，UPS 會使用線性穩壓器對超級電容充電。如果系統電壓下降，則會使用升壓穩壓器，將電容中的能源提升至所需的電源電壓位準。

圖 1：系統電壓正常時，此 UPS 會對超級電容充電，系統電壓下降時則會利用該電容中的能源。(圖片來源：Analog Devices)

若 24 V 電源除了供電給感測器外，也供電給其他電路元件，則應加入超級電容，並將其專用於供電給感測器電路，而非其他與 24 V 線路相關的其他電子元件。當電路處於備援模式時，二極體 (圖中的「D」) 可避免此情況發生。

此系統雖然運作良好，但使用數個電壓轉換器，因此實作上並不容易。若空間有限，實作時也有所難度。圖 2 指出替代作法。此作法以單一備援穩壓器取代圖 1 電路中的多個穩壓器，因此可節省空間並簡化設計。

圖 2：整合式備援穩壓器能讓 UPS 的設計更簡單緊湊。(圖片來源：Analog Devices)

整合式備援解決方案

使用 Analog Devices 的 MAX38889 降壓／升壓切換式穩壓器，就可實現圖 2 中所示的設計概念。這是一款靈活且緊湊的儲能電容或電容組備援穩壓器，可在儲能元件和系統電軌之間高效率地傳輸電力。產品尺寸為 3 x 3 mm，能在超級電容的 0.5 至 5.5 V 輸入電壓下 (V_CAP)，輸出 2.5 至 5.5 V (V_SYS)，且最大電流量為 3 A (I_SYSMAX) (圖 3)。穩壓器的工作溫度介於 -40°C 至 +125°C。

圖 3：UPS 若以 MAX38889 為基礎，指定 V_SYS 下的 I_SYSMAX 會取決於 V_CAP。(圖片來源：Analog Devices)

有主電源且其電壓高於系統電源電壓的最小閾值時，穩壓器會以最大 3 A 峰值和 1.5 A 平均電感電流對超級電容充電。充飽電後，超級電容只會消耗 4 µA 靜態電流，同時保持就緒狀態。超級電容必須充飽電才能啟用備援作業。

當主電源斷開，且超級電容完全充飽電時，穩壓器就可避免系統降低至設定的系統備援工作電壓 (V_BACKUP) 以下，因為穩壓器會將超級電容的放電電壓提升至穩定系統電壓 (V_SYS)。在備援作業期間，MAX38889 會使用具有自適應、導通時間和限流特點的脈衝頻率調變 (PFM) 控制方案。

穩壓器的外部引腳能讓人控制多種設定，例如超級電容的最大電壓 (V_CAPMAX)、V_SYS，以及峰值電感充電和放電電流。

MAX38889 可實作 True Shutdown 特點，斷開 SYS 與 CAP 的連接，並在 V_CAP > V_SYS 時防止 SYS 短路。將 ENC 和 ENB 引腳分別保持在低位，就可停用充電和備援功能 (圖 4)。

圖 4：MAX38889 的外部引腳可設定超級電容的最大電壓 V_CAPMAX、V_SYS，以及峰值電感充電和放電電流；備援系統狀態可透過 RDY 標誌進行監測。(圖片來源：Analog Devices)

備援系統狀態能透過兩個狀態輸出進行監測：就緒狀態 (RDY) 標誌 (表示超級電容已充飽電)，以及備援狀態 (BKB) 標誌 (表示正在進行備援作業)。

超級電容的挑選

圖 5 指出 MAX38889 型 UPS 的簡化應用電路。充電時的 V_CAPMAX，會由驅動 FBCH 引腳的電阻分壓器決定。在此範例中，電阻值 R1 = 1.82 MΩ，R2 = 402 kΩ，R3 = 499 kΩ，這些值能確保 V_CAPMAX 設定為 2.7 V。超級電容充電時的最大峰值電流為 3 A，平均電感電流為 1.5 A。放電時，峰值電感電流為 3 A。

圖 5：此為 MAX38889 型 UPS 的簡化應用電路。超級電容充電時的最大峰值電流為 3 A，平均電感電流為 1.5 A。放電過程中，峰值電感電流為 3 A。(圖片來源：Analog Devices)

挑選備援作業用的超級電容時，必須謹慎小心。當主電源失效時，MAX38889 會在備援或升壓模式下以超級電容當作能源來提供負載功率。超級電容在最小穩壓電源電壓下所能提供的功率，必須大於系統所需的功率。

MAX38889 對超級電容來說是恆定的功率負載，因此超級電容在接近 V_CAPMAX 操作時，會以更小的電流運作。但當超級電容放電 (及電壓下降) 時，從超級電容汲取的電流會加大，以便對負載提供恆定的功率。備援模式中所需的能源，是備援作業 (T_BACKUP) 期間連續備援電源的乘積 (V_SYS x I_SYS)。

超級電容 (C_SC) 可提供的能量 (單位為焦耳 (J))，能以方程式 1 計算：

 方程式 1

完成備援作業所需的能量，可使用方程式 2 計算：

 方程式 2

其中 I_SYS 是備援期間的負載電流。

由於備援活動時負載所需的能源由超級電容提供 (在轉換效率 (η) 假設下且有指定所需的 T_BACKUP)，因此可使用方程式 3 來確定所需的 C_SC 值 (單位為法拉 (F))：

 方程式 3

以圖 5 中的應用電路為例 (假設系統負載為 200 mA、平均效率為 93%、備援時間為 10 秒)，超級電容的最小值需為：

 方程式 4

圖 6 指出圖 5 中應用電路的充電和放電曲線。

圖 6：圖 5 中應用電路的充電和放電曲線。V_SYS = 3.6 V，V_CAP = 2.7 V，V_BACKUP = 3 V。(圖片來源：Analog Devices)

從評估板開始

MAX38889AEVKIT# 電容充電器電源管理評估板可提供彈性的電路，以便評估降壓／升壓備援穩壓器，並可測試搭載 MAX38889 和超級電容的 UPS。外部元件支援寬廣的系統和超級電容電壓範圍，以及大範圍的充電和放電電流。

這款評估板包含三個分流器：ENC (充電啟用)、ENB (備援啟用) 和 LOAD (負載) (圖 7)。若 ENC 分流器設在腳位 1 至 2，當 V_SYS 高於充電閾值時，就會啟用充電。若 ENB 分流器設在腳位 1 至 2 ，當 V_SYS 降至備援閾值以下時，就會啟用備援。LOAD (負載) 分流器可設在腳位 1 至 2，以進入測試模式；這時 V_SYS 會連接 4.02 Ω 負載並進行接地，以模擬放電情形。如果分流器只連接一個引腳，評估板就會進入正常運作模式。

圖 7：MAX38889AEVKIT 評估套件提供彈性的電路，可評估 MAX38889 降壓／升壓超級電容備援穩壓器。(圖片來源：Analog Devices)

當主電池提供的電壓超過充電所需的最低系統電壓，MAX38889 穩壓器會以 1.5 A 的平均電流對超級電容充電，此時 V_FBCH = 0.5 V，電阻 R1 = 499 kΩ，R2 = 402 kΩ，R3 = 1.82 MΩ，V_CAPMAX = 2.7 V。

電阻 R5 (1.21 MΩ) 和 R6 (1.82 MΩ) 會將此評估套件的 V_BACKUP 設為 3 V，V_FBS = 1.2 V。如此一來，當主電池取出且 V_FBS 降至 1.2 V 時，MAX38889 必須從超級電容汲取電力，並將 V_SYS 調節至 V_BACKUP。

MAX38889A 評估套件會提供就緒狀態 (RDY) 測試點，以監測超級電容的充電狀態。當 FBCR 引腳的電壓超過 FBCR 電壓閾值 (即 0.5 V；由 R1、R2 和 R3 設定)，RDY 測試點會進入高位。這代表當 V_CAP 超過 1.5 V 時，RDY 會進入高位。同樣地，當超級電容提供備援時，若超級電容提供的電壓低於 1.5 V，RDY 標誌會進入低位。

此評估套件亦提供 BKB 測試點，可監測系統的備援狀態。當系統提供備援電源時，BKB 會進入低位，當系統正在充電或處於閒置狀態時，BKB 會進入高位。

電阻 (R4) 可設定 ISET 和接地 (GND) 之間的峰值電感電流。額定值為 33 kΩ 的電阻可根據以下方程式，將峰值電感電流設為 3 A：峰值充電電流 (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (圖 8)。

圖 8：此為 MAX38889 評估板的線路圖；此評估板利用 11 F 超級電容運作，並提供測試點以監測 V_CAP、V_SYS、RDY 和 BKB。(圖片來源：Analog Devices)

結論

超級電容可當作 UPS 的儲能元件。傳統的 UPS 拓撲採用多個穩壓器，需佔用大量空間，因此設計上相當棘手。整合式降壓／升壓穩壓器作法能以單一緊湊元件代替多個轉換器和充電電路，因此可減緩設計難題。