【導讀】不間斷電源 (UPS) 在許多應用中扮演著重要的角色，例如，獨立磁盤冗餘陣列 (RAID) 存儲中的數據保護、用於安全操作的汽車遙測係統
，以及醫療保健行業的胰島素泵等給藥器械。

不間斷電源 (UPS) 在許多應用中扮演著重要的角色，例如，獨立磁盤冗餘陣列 (RAID) 存儲中的數據保護
、用於安全操作的汽車遙測係統，以及醫療保健行業的胰島素泵等給藥器械。

然而，設計 UPS 可能具有挑戰性
，特別是在空間有限的情況下。此外
，對於許多無法承受電能從存儲係統流回電源的應用而言，還需要進行精心設計。

考kao慮lv采cai用yong集ji成cheng方fang法fa，將jiang多duo個ge轉zhuan換huan器qi和he充chong電dian電dian路lu替ti換huan成cheng單dan個ge元yuan器qi件jian，便bian可ke降jiang低di此ci類lei設she計ji的de難nan度du。這zhe種zhong集ji成cheng方fang法fa可ke簡jian化hua電dian路lu設she計ji，更geng易yi於yu確que保bao在zai備bei用yong電dian源yuan運yun行xing期qi間jian沒mei有you電dian流liu流liu回hui電dian源yuan。

本文概述了 UPS 設計難點並介紹了一種傳統解決方案。隨後，本文介紹了一種簡化的集成式替代方法，該方法基於 Analog Devices 的降壓/升壓開關穩壓器。

使用超級電容器作為儲能器

圖 1 顯示了一種傳統的 UPS 設計方法。在此示例中，UPS 為 24 VDC 傳感器供電。該傳感器的電路需要 3.3 V 和 5 V 輸入。當係統電壓可用時，UPS 使用線性穩壓器為超級電容器充電。如果係統電壓下降，電容器中的電能就會通過升壓穩壓器升至所需的供電電壓水平。

圖 1：該 UPS 在係統電壓正常時為超級電容器充電
，在係統電壓下降時汲取其中的電能。（圖片來源：Analog Devices）

如果 24 V 電源還用於為傳感器以外的其他電路元件供電
，則應並入超級電容器，使其僅為傳感器電路供電
，而不為與 24 V 線路相關的其他電子設備供電。當電路處於備用模式時，二極管“D”可防止發生這種情況。

雖然這種係統運轉良好，但可能難以實施

，因為它需要使用多個電壓轉換器。此外
，如果空間有限，可能也是一項挑戰。圖 2 顯示了另一種替代方法。該方法采用單個備用穩壓器來替代圖 1 所示電路中的多個穩壓器

，不僅能節省空間，還能簡化設計。

圖 2：集成式備用穩壓器可使 UPS 的設計更加簡單和緊湊。（圖片來源：Analog Devices）

集成式備用解決方案

圖 2 所示的設計理念可通過 Analog Devices 的 MAX38889 降壓/升sheng壓ya開kai關guan穩wen壓ya器qi來lai實shi現xian。這zhe是shi一yi款kuan靈ling活huo而er緊jin湊cou的de儲chu能neng電dian容rong器qi或huo電dian容rong器qi組zu備bei用yong穩wen壓ya器qi，可ke在zai存cun儲chu元yuan件jian與yu係xi統tong電dian源yuan軌gui之zhi間jian有you效xiao地di傳chuan輸shu電dian能neng。該gai器qi件jian尺chi寸cun為wei 3 x 3 mm
，從 0.5 至 5.5 V 的超級電容器輸入 (VCAP)，在 3 A 最大電流 (ISYSMAX) 下可產生 2.5 至 5.5 V 的輸出 (VSYS)（圖 3）。該穩壓器的工作溫度範圍為 -40°C 至 +125°C。

圖 3：對於基於 MAX38889 的 UPS
，給定 VSYS 的 ISYSMAX 取決於 VCAP。（圖片來源：Analog Devices）

當主電源接通且其電壓高於係統供電電壓最小閾值時，該穩壓器能以最大 3 A 的峰值電流和 1.5 A 的平均電感電流為超級電容器充電。超級電容器充滿電後
，在保持就緒狀態時
，靜態電流隻有 4 μA。超級電容器在作為備用電源運行前必須達到滿充狀態。

當主電源斷開且超級電容器充滿電時
，該穩壓器可防止係統降至設定的係統備用工作電壓 (VBACKUP) 以下。該器件通過使超級電容器放電電壓升至 VSYS（即穩壓係統電壓）來實現此目的。在備用電源運行期間，MAX38889 采用自適應導通時間和限流脈衝頻率調製 (PFM) 控製方案。

穩壓器的外部引腳可控製各種設置，例如最大超級電容器電壓 (VCAPMAX)
、VSYS
，以及峰值電感充電和放電電流。

MAX38889 具有真關斷功能，可將 SYS 與 CAP 斷開，並在 VCAP 大於 VSYS 時防止 SYS 短路。通過分別使 ENC 和 ENB 引腳保持低電平，可禁用充電和備用功能（圖 4）。

圖 4：通過 MAX38889 的外部引腳可設置最大超級電容器電壓 VCAPMAX
、VSYS，以及峰值電感充電和放電電流；備用係統狀態可通過 RDY 標誌進行監控。（圖片來源：Analog Devices）

備用係統狀態可通過兩個狀態輸出進行監控：就緒狀態 (RDY) 標誌（指示超級電容器的充電時間）和備用狀態 (BKB) 標誌（指示備用電源運行狀態）。

超級電容器選型

圖 5 顯示了基於 MAX38889 的 UPS 的簡化應用電路。充電期間，VCAPMAX 由驅動 FBCH 引腳的電阻分壓器決定。在此示例中
，電阻值 R1 = 1.82 MΩ、R2 = 402 kΩ 和 R3 = 499 kΩ 可確保 VCAPMAX 設置為 2.7 V。超級電容器以最大 3 A 的峰值和 1.5 A 的平均電感電流充電。放電期間，峰值電感電流為 3 A。

圖 5：圖示為基於 MAX38889 的 UPS 的簡化應用電路。超級電容器以最大 3 A 的峰值和 1.5 A 的平均電感電流充電。放電期間，峰值電感電流為 3 A。（圖片來源：Analog Devices）

在為備用電源運行選擇超級電容器時，需要格外注意。當主電源出現故障時
，負載功率由 MAX38889 提ti供gong，該gai器qi件jian利li用yong超chao級ji電dian容rong器qi作zuo為wei能neng量liang來lai源yuan，在zai備bei用yong或huo升sheng壓ya模mo式shi下xia運yun行xing。超chao級ji電dian容rong器qi在zai其qi最zui小xiao調tiao節jie供gong電dian電dian壓ya下xia可ke提ti供gong的de功gong率lv必bi須xu大da於yu係xi統tong所suo需xu的de功gong率lv。

當 MAX38889 的工作電壓接近 VCAPMAX 時
，該器件可為超級電容器提供恒功率負載，導致從中汲取的電流變小。但是，當超級電容器放電（且電壓降低）時，從中汲取的電流就會增加，以維持負載的恒功率。在備用電源運行期間 (TBACKUP)，備用模式下所需的能量為連續備用功率的乘積 (VSYS x ISYS)。

使用公式 1 可計算出超級電容器中可用的能量值（以焦耳 [J] 為單位）(CSC)：

 公式 1

使用公式 2 可計算出完成備用電源運行所需的能量值：

 公式 2

其中 ISYS 為備用期間的負載電流。

由於備用事件期間負載所需的能量由超級電容器提供，假設轉換效率 (η) 並給定所需的 TBACKUP，則使用公式 3 可確定所需的 CSC 值（以法拉 [F] 為單位）：

 公式 3

以圖 5 所示的應用電路為例，假設係統負載為 200 mA，平均效率為 93%，備用時間為 10 s，則所需的超級電容器最小值為：

 公式 4

圖 6 顯示了圖 5 所示應用電路的充電和放電曲線。

圖 6：圖 5 所示應用電路的充電和放電曲線。VSYS = 3.6 V，VCAP = 2.7 V
，VBACKUP = 3 V。（圖片來源：Analog Devices）

著手使用評估板

MAX38889AEVKIT# 電容器充電器電源管理評估板提供靈活的電路
，可評估降壓/升壓備用穩壓器，並測試基於 MAX38889 和超級電容器的 UPS。外部元器件支持各種係統和超級電容器電壓以及充電和放電電流。

該評估板包含三個分流器：ENC（啟用充電）、ENB（啟用備用）和 LOAD（圖 7）。在 ENC 分流器設在位置 1-2 的情況下，當 VSYS 高於充電閾值時啟用充電。在 ENB 分流器設在位置 1-2 的情況下，當 VSYS 降至備用閾值以下時啟用備用。LOAD 可設為位置 1-2 以進入測試模式

，其中 4.02 Ω 負載跨接到 VSYS，並接地以模擬放電場景。如果分流器僅連接到一個引腳，該評估板將進入正常工作模式。

圖 7：MAX38889AEVKIT 提供靈活的電路，可評估 MAX38889 降壓/升壓超級電容器備用穩壓器。（圖片來源：Analog Devices）

當主電池提供的電壓超過充電所需的最低係統電壓時，MAX38889 穩壓器以 1.5 A 的平均電流為超級電容器充電，VFBCH = 0.5 V，電阻器 R1 = 499 kΩ
、R2 = 402 kΩ、R3 = 1.82 MΩ 時，VCAPMAX = 2.7 V。

EVKIT VBACKUP 由電阻器 R5 (1.21 MΩ) 和 R6 (1.82 MΩ) 設置為 3 V，VFBS = 1.2 V。這表明當主電池斷開且 VFBS 降至 1.2 V 時
，MAX38889 會從超級電容器汲取電能並將 VSYS 調節至 VBACKUP。

MAX38889A EVKIT 提供 RDY 測試點來監控超級電容器充電狀態。當 FBCR 引腳電壓超過 0.5 V 的 FBCR 電壓閾值（由 R1
、R2 和 R3 設置）時
，RDY 測試點為高電平。這意味著當 VCAP 超過 1.5 V 時，RDY 會升高。同樣，在超級電容器提供備用的情況下，當超級電容器提供的電壓低於 1.5 V 時
，RDY 標誌會降低。

EVKIT 還提供 BKB 測試點來監控係統備用狀態。當係統提供備用電源時，BKB 被拉低；當係統正在充電或處於空閑狀態時
，BKB 被拉高。

電阻器 (R4) 可設置 ISET 與接地 (GND) 之間的峰值電感器電流。根據以下公式
，33 kΩ 的電阻值將峰值電感電流設置為 3 A：峰值充電電流 (ILX_CHG) = 3 A x (33 kΩ/R4)（圖 8）。

圖 8：圖示為 MAX38889 評估板的原理圖；該器件使用 11 F 超級電容器運行，並提供測試點來監控 VCAP、VSYS、RDY 和 BKB。（圖片來源：Analog Devices）

總結

超級電容器可用作 UPS 的儲能元件。傳統的 UPS 拓撲采用多個穩壓器，這些穩壓器需要占用大量空間，因此設計起來很棘手。采用集成式降壓/升壓穩壓器可將多個轉換器和充電電路替換成單個緊湊型元器件，從而降低此類設計的難度。

（作者：Steven Keeping）

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