作者：Steven Keeping

　　不间断电源 (UPS) 对于独立磁盘冗余阵列 (RAID) 存储中的数据保护、用于安全操作的汽车遥测以及医疗保健中的胰岛素泵等药物输送设备等应用至关重要。

　　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，许多不能承受能量从存储系统流回电源的应用需要仔细设计。

　　通过考虑采用集成方法可以缓解这些设计挑战，即用单个组件替换多个转换器和充电电路。这种集成方法简化了电路设计，并且更容易确保在备份操作期间没有电流流回电源。

　　本文概述了 UPS 设计挑战并提出了传统解决方案。然后，本文介绍了一种基于Analog Devices的降压/升压开关稳压器的简化集成替代方案。

　　使用超级电容器作为能量储存器

　　图 1 显示了 UPS 设计的传统方法。在此示例中，UPS 为 24 伏直流 (V DC ) 传感器供电。传感器电路需要 3.3 伏和 5 伏输入。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，电容器中的能量将通过升压调节器升压至所需的电源电压水平。

　　图 1：该 UPS 在系统电压正常时为超级电容器充电，并在系统电压下降时吸收该能量。 (图片来源：Analog Devices)

　　如果 24 伏电源还用于为传感器以外的其他电路元件供电，则应合并超级电容器，使其仅为传感器电路供电，而不为与 24 伏线路相关的其他电子设备供电。当电路处于备份模式时，二极管“D”可防止这种情况发生。

　　该系统运行良好，但可能难以实施，因为它使用多个电压转换器。如果空间有限，这也可能具有挑战性。图 2 说明了另一种方法。这种方法使用单个备用稳压器来代替图 1 所示电路中的多个稳压器，从而节省空间并简化设计。

　　图 2：集成后备稳压器使 UPS 设计更加简单和紧凑。 (图片来源：Analog Devices)

　　集成备份解决方案

　　图 2 所示的设计概念可以使用 Analog Devices 的MAX38889降压/升压开关稳压器来实现。这是一种灵活且紧凑的存储电容器或电容器组备份稳压器，用于在存储元件和系统电源轨之间有效地传输电力。它的尺寸为 3 x 3 毫米 (mm)，通过 0.5 至 5.5 伏的超级电容器输入 (V CAP )，以 3 安培 (A) (I SYS MAX) 的最大电流输出 2.5 至 5.5 伏 (V SYS ) (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 V SYS的 I SYS MAX取决于 V CAP。 (图片来源：Analog Devices)

　　当主电源存在且其电压高于最小阈值系统电源电压时，调节器以最大 3 A 峰值和 1.5 A 平均电感器电流为超级电容器充电。超级电容器充满电后，它仅消耗 4 微安 (μA) 静态电流，同时保持就绪状态。超级电容器必须充满电才能进行备份操作。

　　当主电源被移除且超级电容器充满电时，调节器可防止系统降至低于设定的系统备用工作电压 (V BACKUP )。它通过将超级电容器放电电压提升至稳压系统电压V SYS来实现这一点。在备份操作期间，MAX38889采用自适应、准时、限流脉冲频率调制(PFM)控制方案。

　　稳压器的外部引脚允许控制各种设置，例如最大超级电容器电压 (V CAP MAX)、V SYS以及峰值电感器充电和放电电流。

　　MAX38889 实现真正关断功能，在 V CAP > V SYS时将 SYS 与 CAP 断开并防止 SYS 短路。通过分别将 ENC 和 ENB 引脚保持为低电平可以禁用充电和备份(图 4)。

　　图4：MAX38889的外部引脚允许设置最大超级电容器电压V CAP MAX、V SYS以及峰值电感充电和放电电流;备份系统状态可以通过RDY标志来监控。 (图片来源：Analog Devices)

　　备份系统状态可通过两个状态输出进行监控：就绪状态(RDY)标志(指示超级电容器何时充电)和备份状态(BKB)标志(指示备份操作)。

　　超级电容器选型

　　图5显示了基于MAX38889的UPS的简化应用电路。充电期间的V CAP MAX 由驱动 FBCH 引脚的电阻分压器决定。在此示例中，电阻器值 R1 = 1.82 兆欧 (MΩ)、R2 = 402 千欧 (kΩ) 和 R3 = 499 kΩ 可确保 V CAP MAX 设置为 2.7 伏。超级电容器以最大 3 A 峰值和 1.5 A 平均电感器电流充电。放电期间，峰值电感电流为 3 A。

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

　　选择用于备用操作的超级电容器时需要小心。当主电源出现故障时，MAX38889通过工作在备份或升压模式下提供负载电源，并使用超级电容器作为能源。超级电容器在其最小调节电源电压下可以提供的功率必须大于系统所需的功率。

　　MAX38889 为超级电容器提供恒定功率负载，当其工作在 V CAP MAX附近时，从超级电容器汲取的电流较小。然而，从超级电容器汲取的电流随着其放电(以及电压下降)而增加，以维持负载的恒定功率。备用模式所需的能量是备用操作持续时间 (T BACKUP ) 内连续备用功率 (V SYS x I SYS )的乘积。

　　超级电容器 (C SC )中可用的能量(以焦耳 (J) 为单位)使用公式 1 计算：

　　公式1

　　完成备份操作所需的能量使用公式 2 计算：

　　等式2

　　其中I SYS为备份时的负载电流。

　　由于备份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 T BACKUP，则所需的 C SC值(以法拉 (F) 为单位)可使用公式 3 确定：

　　公式3

　　以图5所示的应用电路为例，假设系统负载为200毫安(mA)，平均效率为93%，备份时间为10秒(s)，则所需超级电容器的最小值为：

　　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。V SYS = 3.6 V，V CAP = 2.7 V，V BACKUP = 3 V。 (图片来源：Analog Devices)

　　开始使用评估板

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

　　该板包含三个分流器：ENC(启用充电)、ENB(启用备份)和 LOAD(图 7)。当 ENC 分流器设置在位置 1-2 时，当 V SYS高于充电阈值时启用充电。当 ENB 分流器设置在位置 1-2 时，当 V SYS降至备份阈值以下时启用备份。负载分流器可设置为位置 1-2 以进入测试模式，其中 4.02 欧姆 (Ω) 负载连接在 V SYS和接地之间以模拟放电场景。如果分流器仅连接到一个引脚，则该板将进入正常工作模式。

　　图 7：MAX38889AEVKIT 提供灵活的电路来评估 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。V FBCH = 0.5 V，电阻R1 = 499 kΩ、R2 = 402 kΩ和R3 = 1.82 MΩ，则 V CAP MAX = 2.7 伏。

　　EVKIT V BACKUP通过电阻器 R5 (1.21 MΩ) 和 R6 (1.82 MΩ) 设置为 3 V，其中 V FBS = 1.2 V。这表明，当主电池被移除且 V FBS降至 1.2 V 时，MAX38889 从超级电容器获取电源，并将 V SYS调节至 V BACKUP。

　　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 伏 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 V CAP超过 1.5 伏时，RDY 变高。类似地，当超级电容器提供备份时，当超级电容器提供低于 1.5 伏的电压时，RDY 标志变低。

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

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

　　图 8：所示为 MAX38889 评估板原理图;它使用 11 F 超级电容器运行，并提供测试点来监控 V CAP、V SYS、RDY 和 BKB。 (图片来源：Analog Devices)

　　结论

　　超级电容器可用作 UPS 的储能元件。传统的 UPS 拓扑使用多个稳压器，这些稳压器占用大量空间，因此设计起来很棘手。集成降压/升压稳压器方法通过用单个紧凑组件替换多个转换器和充电电路来缓解这些设计挑战。