Konstruktion av UPS-modul

Konstruktion av UPS-modul

Examensarbete utfört i elektroniksystem

Fredrik Olsson

LiTH-ISY-EX-3265-2002

Konstruktion av UPS-modul

Examensarbete utfört i elektroniksystem

vid Linköpings tekniska högskola

av

Fredrik Olsson

LiTH-ISY-EX-3265-2002

Handledare: Frank Roshamn Examinator: Kent Palmkvist Linköping 24 oktober, 2002

Avdelning, Institution Division, Department Institutionen för Systemteknik 581 83 LINKÖPING Datum Date 2002-10-24 Språk Language Rapporttyp Report category ISBN X Svenska/Swedish Engelska/English Licentiatavhandling X Examensarbete ISRN LITH-ISY-EX-3265-2002 C-uppsats D-uppsats Serietitel och serienummer Title of series, numbering

ISSN

Övrig rapport

____

URL för elektronisk version

http://www.ep.liu.se/exjobb/isy/2002/3265/

Titel

Title Konstruktion av UPS-modul Design of an UPS module

Författare

Author Fredrik Olsson

Sammanfattning

Abstract

This master thesis describes the development of an UPS module. UPS is an acronym for Uninterruptable Power Supply. The UPS module has been developed at the company AerotechTelub AB. The UPS module delivers the necessary voltage and current in case of a power interrupt. If a power interrupt occur, the computer system has one to three minutes available to store data and shut down correctly.

The UPS module consists of two parallel systems. Every system is built out of four parts. Part one consists of batteries and safety circuits, part two charges the batteries, part three is a control unit, and part four delivers the voltage and current. The delivered voltage is 5 V and the current is 4 A. Tests and verifications showed that the UPS module could supply a computer system with power for about one minute. The tests have been performed in a lab at AerotechTelub AB.

The UPS module is supposed to be mounted in a cassette. The cassette is then inserted in the computer system through a hole in the chassis. Thereby an opening of the computer system is avoided when the module is connected.

Nyckelord

Keyword

Förord

Jag som har utfört detta examensarbete heter Fredrik Olsson. 1996 avlade jag studentexamen vid Torsbergsskolan, Bollnäs. Där läste jag Naturvetenskapliga programmet, teknisk gren med inriktning mot elektronik. 1996-1997 gjorde jag min värnpliktstjänstgöring på flygflottiljen F15, Söderhamn. Under militärtjänstgöringen ansökte jag till Linköpings Universitet och började studera Teknisk Fysik och Elektroteknik hösten 1997. Teknisk Fysik och Elektroteknik är en civilingenjörsutbildning på 180 poäng. Jag valde sedan inriktningen Elektronik och våren 2002 påbörjade jag mitt examensarbete. Examensarbetet är ett obligatoriskt moment och motsvarar 20 poäng. Efter avslutat examensarbete kan jag ansöka om min civilingenjörsexamen inom Teknisk Fysik och Elektroteknik.

Examensarbetet har varit mycket intressant och lärorikt. Jag vill tacka alla som har ställt upp och hjälpt mig under denna tid. Ett speciellt tack vill jag rikta till:

Frank Roshamn, handledare, AerotechTelub AB

Arne Eriksson, elektronikkonstruktör, AerotechTelub AB Peter Wallman, elektronikkonstruktör, AerotechTelub AB Martin Andersson, elektronikkonstruktör, AerotechTelub AB Åke Wistedt, Mek-CAD, AerotechTelub AB

Sammanfattning

Detta examensarbete beskriver konstruktionen av en UPS-modul. UPS är en förkortning för Uninterruptable Power Supply. UPS-modulen är utvecklad hos AerotechTelub AB. UPS-modulen levererar spänning och ström om ett kraftavbrott inträffar. Om ett kraftavbrott inträffar har datorsystemet en till tre minuter på sig att spara ned data och göra ett korrekt avslut.

UPS-modulen består av två parallella system. Varje system består av fyra delar. Del ett består av batterier och säkerhetskretsar, del två laddar batterierna, del tre är en kontrollmodul och del fyra levererar spänning och ström. Spänningen som levereras är 5 V och strömmen är 4 A.

Test och verifikation visade att UPS-modulen kunde driva ett datorsystem i cirka en minut. Testerna har utförts i ett labb på AerotechTelub AB.

Det är tänkt att UPS-modulen skall monteras i en kassett. Kassetten skall sedan skjutas in i datorsystemet genom ett hål i chassit. Detta medför att datorsystemet inte behöver öppnas när modulen ansluts.

Innehållsförteckning

1 INLEDNING _____________________________________________________ 1

1.1 BAKGRUND___________________________________________________ 1

1.1.1 Uppgiftsformulering ________________________________________ 1 1.2 PROBLEMBESKRIVNING__________________________________________ 1

1.2.1 Önskat och oönskat avbrott __________________________________ 1 1.2.2 Inkapsling ________________________________________________ 2 1.2.3 Mina egna mål ____________________________________________ 2 1.3 EXAMENSARBETETS UPPLÄGG_____________________________________ 2

1.4 RAPPORTENS UPPLÄGG __________________________________________ 3

2 LÖSNINGSBESKRIVNING ________________________________________ 5

3 KONSTRUKTION OCH TEORI ____________________________________ 7

3.1 BATTERIMODULEN _____________________________________________ 7

3.1.1 Val av batteri _____________________________________________ 7 3.1.2 Batteriets egenskaper _______________________________________ 7 3.1.3 Laddning av ULTRALIFE UBC493483 _________________________ 9 3.1.4 Urladdning av ULTRALIFE UBC493483 _______________________ 9 3.1.5 Säkerhetskretsen __________________________________________ 10 3.2 LADDNINGSMODULEN__________________________________________ 11 3.2.1 Val av laddningskrets ______________________________________ 11 3.2.2 BQ2954_________________________________________________ 11 3.2.3 Konstruktion av laddningsmodulen ___________________________ 13 3.2.4 Beskrivning av laddningsförloppet____________________________ 20 3.3 KONTROLLMODULEN___________________________________________ 23 3.3.1 Konstruktion av kontrollmodulen _____________________________ 23 3.4 TRANSFORMATIONSMODULEN____________________________________ 25 3.4.1 MAX1709ESE ____________________________________________ 26 3.4.2 Val och dimensionering av några externa komponenter ___________ 30

4 KOMPONENTPLACERING OCH LAYOUT ________________________ 31

5 MEKANISK KONSTRUKTION ___________________________________ 33

5.1 INKAPSLING__________________________________________________ 33

5.2 KONTAKTDON________________________________________________ 34

5.3 FASTSÄTTNING AV KORTET______________________________________ 37

5.4 FASTSÄTTNING AV BATTERIMODUL________________________________ 38

6 TEST OCH VERIFIERING _______________________________________ 39

6.1 TEST AV KONTROLLMODULEN ___________________________________ 40

6.2 TEST AV TRANSFORMATIONSMODULEN_____________________________ 40

6.3 TEST AV LADDNINGSMODULEN___________________________________ 41

6.4 TEST AV SAMTLIGA MODULER INKOPPLADE _________________________ 41

6.5 TEST AV UPS-MODULENS DRIFTTIDER _____________________________ 42

6.6 TEST AV SPÄNNINGAR OCH SIGNALERING ___________________________ 43

7 FÖRSLAG TILL FORTSATT UTVECKLING AV UPS-MODULEN ____ 45

9 REFERENSER __________________________________________________ 40 10 APPENDIX _____________________________________________________ 39

10.1 APPENDIX 1; KRETSSCHEMA_____________________________________ 40

Figurförteckning

Figur 2.1: Datorsystem med UPS-modul ... 5

Figur 2.2: UPS-modulens två parallella system ... 6

Figur 2.3: Kraftavbrott... 6

Figur 3.1: ULTRALIFE UBC493483 ... 8

Figur 3.2: ULTRALIFE UBC493483 - Laddnings cykler ... 8

Figur 3.3: Laddning av ULTRALIFE UBC493483 ... 9

Figur 3.4: Urladdning av ULTRALIFE UBC493483 ... 10

Figur 3.5: Urladdning av ULTRALIFE UBC493483 vid -20°C... 10

Figur 3.6: BQ2954 - Benkonfiguration ... 12

Figur 3.7: BQ2954 - Dimensioner... 12

Figur 3.8: BQ2954 - Blockdiagram... 12

Figur 3.9: Realisering av laddningstid... 14

Figur 3.10: Realisering av laddningsspänning och laddningsström... 15

Figur 3.11: Realisering av batteritemperatur... 17

Figur 3.12: Normal snabbladdningscykel... 18

Figur 3.13: Laddningscykeln efter snabbladdning ... 19

Figur 3.14: Onormalt tillstånd ... 19

Figur 3.15: Realisering av LED1/CSEL, LED2/DSEL och CHG... 20

Figur 3.16: Laddningsförloppet... 22

Figur 3.17: Styrsignal - UPS_ON/OFF ... 23

Figur 3.18: Kontrollmodulen... 23

Figur 3.19: MAXIM1709ESE - Benkonfiguration ... 25

Figur 3.20: MAXIM1709ESE - Dimensioner ... 25

Figur 3.21: MAX1709ESE - Blockdiagram... 26

Figur 4.1: Komponentplacering... 31

Figur 4.2: Den färdiga prototypen ... 32

Figur 5.1: Kassett - framsida ... 34

Figur 5.2: Kassett - baksida ... 34

Figur 5.3: Kontaktdon-framsida ... 35

Figur 5.4: Kontaktdon-dimensioner-sidovy ... 35

Figur 5.5: Kontaktdon-fastsättning-sidovy... 35

Figur 5.6: Kontaktdonets anslutningar ... 36

Figur 5.7: Fastsättning av kort... 37

Figur 5.8: Fastsättning av batterimodul... 38

Figur 6.1: UPS-modulen monterad i testbänk ... 39

Figur 6.2: Jordfel ... 42

Figur 10.1: Laddningsmodul system 1 ... 51

Figur 10.2: Laddningsmodul system 2 ... 52

Figur 10.3: Kontrollmodul system 1 och Transformationsmodul system 1... 51

Figur 10.4: Kontrollmodul system 2 och Transformationsmodul system 2... 52

Figur 10.5: Hål för fastsättning och hål för batteripoler... 52

Figur 10.6: TOP - Signal och GND - Signal ... 59

Figur 10.7: POW - Signal och BOT -Signal... 59

Figur 10.8: SILK - ej signal och TM - ej signal ... 60

Kapitel 1 - Inledning

1 Inledning

I detta kapitel beskrivs den bakgrund och de uppgifter som har legat till grund för examensarbetet vid

AerotechTelub AB, vårterminen 2002.

1.1 Bakgrund

AerotechTelub AB, Division Sensorsystem, underhåller och utvecklar olika elektroniksystem åt svenska försvaret. Inom ett tekniskt utvecklingsuppdrag, gällande presentationssystem baserat på COTS-teknik, finns behov att utveckla en UPS-modul för integration med befintliga system. COTS är en förkortning för det engelska uttrycket Commersial Off The Shelf. UPS är en förkortning för det engelska uttrycket Uninterruptable Power Supply.

1.1.1 Uppgiftsformulering

Uppgiften består av att utveckla en UPS-modul. Uppgiften innefattar följande deluppgifter:

1. Val av batterityp (parametrar: livslängd, drifttid 1-3 minuter, pris, storlek) 2. Val av laddkrets/laddelektronik

3. Utreda behov av signalering mellan UPS-modul och programvara/drivrutin 4. Konstruktion av vald lösning

5. Verifiering av konstruktionen

Modulen skall användas i olika PC-konstruktioner. PC-konstruktionerna är utvecklad av AerotechTelub, anpassad för användning i mobila miljöer (helikopter, flyg, stridsfordon etc.). PC-konstruktion är en beteckning för datorsystem baserade på persondator-komponenter.

1.2 Problembeskrivning

Från de uppgifter som examensarbetet bygger på skall en modul utvecklas. UPS-modulen skall driva datorsystemet om ett kraftavbrott äger rum.

1.2.1 Önskat och oönskat avbrott

Det finns två typer av avbrott: Önskat avbrott och oönskat avbrott. Skillnaden mellan dessa avbrott är av stor betydelse vid konstruktionen av UPS-modulen.

Ett önskat avbrott innebär att ordinarie kraft kopplas bort under kontrollerade former. Ordinarie kraft faller inte automatiskt bort vid ett avslut utan datorn ställer sig i läget 1

Kapitel 1 - Inledning

”Nu kan du stänga av datorn”. Ordinarie kraft bryts sedan manuellt med en huvudströmbrytare.

Med ett oönskat avbrott menas att ordinarie kraft faller bort okontrollerat. Alla avbrott som inte uppfyller kravet på önskat avbrott betraktas som oönskade.

Vid ett oönskat avbrott finns det stor risk att data går förlorad. För att undvika detta skall en UPS-modul kopplas till datorsystemet. UPS-modulen driver datorsystemet vid ett oönskat avbrott, så att tid finns till att spara ned data och göra ett korrekt avslut. UPS-modulen skickar en signal till datorsystemet då ordinarie kraft försvinner. Datorsystemet har då 1-3 minuter på sig att automatiskt spara ned data och utföra ett korrekt avslut.

1.2.2 Inkapsling

UPS-modulen skall om möjligt kapslas in i en kassett som även skall vara avsedd för en liten hårddisk. Genom att använda denna lösning kan användaren själv avgöra om en UPS-modul eller en extra hårddisk skall anslutas till datorsystemet. Inkapslingen görs i en kassett, så liten som möjligt, som enkelt kan stoppas in eller tas ur från utsidan av datorsystemet. Detta ställer krav på storleken vid konstruktionen av UPS-modulen och måste beaktas vid val av batterityp, komponenter, kontaktdon etc.

1.2.3 Mina egna mål

För att få en bra och realistisk lösning har jag eftersträvat en enkel och stabil konstruktion som skall vara lätt att uppgradera. En uppgradering kan eventuellt vara lämplig att genomföra om datorsystemen i framtiden kommer att behöva mer eller mindre kraft för att drivas.

1.3 Examensarbetets upplägg

Vid examensarbetets start gjordes en undersökning av marknaden för att se vilka UPS- modeller som fanns tillgängliga. Det visade sig att kombinationen av kraft, drifttid och storlek hos de UPS-modeller som jag hittade inte kunde uppfylla de krav som AerotechTelub hade satt. Framförallt var det ingen UPS-modell som var tillräckligt liten.

Det föreföll sig då naturligt att börja med att göra en kartläggning av, på marknaden förekommande, batterimodeller samt kontakta batterileverantörerna, eftersom huvudkärnan i en UPS består av batterier. Batterierna i sin tur styr konstruktionen och valet av övrig elektronik.

När batterimodell var bestämd påbörjades konstruktion av en laddningsmodul samt en transformationsmodul. När detta var slutfört konstruerades en kontrollmodul.

Kapitel 1 - Inledning

En mekanisk ritning, över det kort som tillverkats, har utvecklats under examensarbetets senare hälft för att anpassas till den kassettprototyp som är under utveckling. Ett mönsterkort har tillverkats i Danmark enligt den mekaniska ritningen och montering av komponenter har gjorts hos AerotechTelub. Slutligen har tester på den färdiga konstruktionen gjorts i labbmiljö hos AerotechTelub.

Diskussioner har förts löpande under hela examensarbetet och ändringar har gjorts för att uppnå en bra anpassning till datorsystemen.

1.4 Rapportens upplägg

Rapporten beskriver kortfattat hur konstruktionen har tagits fram och hur de olika delarna har konstruerats. För mer ingående detaljer om komponenterna hänvisas till respektive datablad. Det har tagits för givet att läsaren har grundläggande kunskaper i elektronik.

Rapporten börjar med ett kort kapitel som ger läsaren en överblick hur den färdiga konstruktionen är uppbyggd. Prototypen som har utvecklats har två identiska parallella system. Rapporten beskriver ett av dessa system.

Kapitel 3 behandlar hur de olika delarna har konstruerats. För varje del som beskrivs finner läsaren först en kort introduktion över delens syfte och funktion.

Kapitel 4 behandlar komponentplacering och layout. Den mekaniska konstruktionen beskrivs i kapitel 5. I kapitel 6 ges den information som test och verifiering av konstruktionen gav. I kapitel 7 ges förslag på hur projektet bör följas upp. Slutsatserna ges i kapitel 8.

I slutet av rapporten, kapitel 9, finns en källförteckning över den litteratur som har använts. I appendix, kapitel 10, finner läsaren olika typer av ritningar över konstruktionen samt en lista över de komponenter som har används.

Kapitel 2 - Lösningsbeskrivning

2 Lösningsbeskrivning

I detta kapitel ges en kort beskrivning av den färdiga prototypen och hur denna är uppbyggd.

UPS-modulen monteras i en kassett som ansluts till datorsystemet. UPS-modulen monteras parallellt med kraftmodulen i datorsystemet, se figur 2.1. Då ordinarie kraft faller bort driver automatiskt UPS-modulen datorsystemet.

Datorsystem

Kraftmodul UPS modul

Figur 2.1: Datorsystem med UPS-modul

UPS-modulen består av två identiska parallella system. Två parallella system används för att i viss mån öka systemets säkerhet. Två parallella system används även för att rätt strömstyrka ska kunna uppnås, se rubriken Transformationsmodulen. Med två parallella system kan även en eventuell uppgradering av systemet genomföras på ett enklare sätt. Varje system består av fyra delar: laddningsmodul, batterimodul, kontrollmodul samt en transformationsmodul. Se figur 2.2.

1. Laddningsmodulens funktion är att ladda batterierna. Laddningsmodulen kopplas automatiskt bort och laddning av batterierna upphör då ordinarie kraft faller bort.

2. Batterimodulen består av ett eller flera batterier samt säkerhetskretsar som förhindrar att batterierna blir överbelastade.

3. Kontrollmodulen avgör om UPS-modulen skall vara aktiv eller inte.

4. Transformationsmodulen ser till att UPS-modulen levererar rätt ström och spänning.

Kapitel 2 - Lösningsbeskrivning

Laddningsmodul Batterimodul Kontrollmodul Transformationsmodul Laddningsmodul Batterimodul Kontrollmodul Transformationsmodul UPS-modul

Figur 2.2: UPS-modulens två parallella system

UPS-modulen skall, som tidigare nämnts, automatiskt driva datorsystemet då ordinarie kraftmodul faller bort. Detta löses genom ett nät av schottkydioder, se figur 2.3. Efter kraftmodulen finns en shottkydiod. Även sist i båda transformationsmodulerna finns det schottkydioder. Kraftmodulen levererar ut 5.6 V i nod X och UPS-modulen levererar ut 5.5 V i nod Y1 och Y2. Så länge potentialen i nod X är högre än potentialen i nod Y1 och Y2, (Y1 och Y2 har samma potential), spärras UPS-modulen och den driver inte datorsystemet. Sjunker potentialen i nod X, det vill säga ett avbrott har uppkommit, kommer UPS-modulen automatiskt att börja driva datorsystemet.

Kraftmodul Transformationsmodul Transformationsmodul UPS-modul nod: X nod: Y1 nod: Y2 Figur 2.3: Kraftavbrott

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

3 Konstruktion och teori

I detta kapitel beskrivs de fyra delarna som UPS-modulens parallella system är uppbyggda av.

3.1 Batterimodulen

3.1.1 Val av batteri

Idag finns det en mängd olika typer av batterimodeller på marknaden. Efter att ha varit i kontakt med ett flertal tillverkare och leverantörer, både i Sverige och utomlands, föll valet av batterityp på litium-polymer. Denna typ av batterier är relativt nya på marknaden. Några vanliga användningsområden för dessa batterier är mobiltelefoner samt andra mobila system. Förutom överlägsen prestanda är litium-polymer det idag säkraste och miljövänligaste batterisystemet på marknaden [3].

3.1.2 Batteriets egenskaper

Batterierna som används i denna konstruktion är av typen ULTRALIFE UBC493483. Detta batteri är ett laddningsbart polymerbatteri. Fördelen med polymerbatterier är att de är väldigt tunna och kan fås i nästan vilken prismatisk form som helst. Eftersom batterierna kan tillverkas i olika former kan batterierna anpassas efter konstruktionen och inte tvärtom. Batterier i önskad form har dock en högre kostnad. Polymer batterierna består av solida delar. Detta medför att inga vätskor behöver kapslas in och det i sin tur leder till att batterierna blir tunna och lätta. Batterierna kan idag tillverkas tunnare än 1 mm [3, 11].

ULTRALIFE har ett antal standardbatterier med bestämda dimensioner. ULTRALIFE UBC493483 har en bredd på 34 mm, en längd på 83 mm och en höjd på 4.9 mm, se figur 3.1 [11]. Detta medför att detta batteri passar bra till denna konstruktion.

Kapacitet ligger på 900 mAh vid C/5. C är en beteckning för batteriets kapacitet [11]. Alltså 900 mA för ULTRALIFE UBC493483. Detta innebär att det finns 900 mAh allt tillgå då batteriet belastas med en ström på 180 mA.

Mitt val av batteri föll först på ULTRALIFE UBC385085. Detta batteri har högre kapacitet, 1225 mAh vid C/5. Eftersom leveranstiden kunde överstiga 20 veckor och inget leveransdatum kunde utlovas föll valet på ULTRALIFE UBC493483. Dessa batterier fanns redan hos en leverantör i Sverige och leverans skedde inom ett par veckor. Med hjälp av dessa batterier kunde en konstruktion av en UPS-modul med kortare drifttid konstrueras. En fördel med litium-polymer batterierna från ULTRALIFE är att samtliga batterier har samma spänning, 4.2 V ned till 3.0 V. Det enda som skiljer de olika modellerna åt är storleken och kapaciteten. Detta innebär att ett byte till någon av dessa batterimodeller kan göras utan att ändra resten av konstruktionen.

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Figur 3.1: ULTRALIFE UBC493483

Spänningsområdet hos batteriet ligger mellan 4.2 V ned till 3.0 V och nominell spänningen är 3.8 V. Maximal rekommenderad urladdning är 2C kontinuerligt och 5C vid pulsurladdning. Batteriet självurladdas med mindre än 10 % per månad [11].

Energidensiteten är 118 Wh/kg eller 260 Wh/l. ULTRALIFE UBC493483 väger endast 29 gram och har kapaciteten för över 300 uppladdningar och urladdningar vid en urladdning av C/2 till 80 % av initialkapaciteten, se figur 3.2. Vid urladdning med 2C kan eventuellt antalet livscykler halveras enligt tillverkaren. Hög luftfuktighet (> 85 % RH vid 45 °C) bör undvikas. Urladdningstemperatur och förvaringstemperatur är -20 °C till +60 °C [11].

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Många batterier har så kallad minneseffekt. Detta innebär att batteriet ”kommer ihåg hur mycket kapacitet som kan lagras”. Det i sin tur innebär att batteriet bör urladdas innan det laddas upp för att erhålla maximal kapacitet. ULTRALIFE UBC493483 saknar denna minneseffekt och behöver alltså inte urladdas innan laddning sker för att uppnå maximal effekt [11].

3.1.3 Laddning av ULTRALIFE UBC493483

Laddning av batteriet skall ske i temperaturområdet 0 °C till +45 °C. Batteriet skall laddas med en konstant ström tills en spänning på 4.20 V (±0.05 V) per cell har uppnåtts. Därefter skall spänningen fixeras vid 4.20 V per cell tills det att strömmen har sjunkit till C/10, se figur 3.3. När strömmen har nått C/10 skall laddningsspänningen tas bort. Att låta strömmen sjunka ned till under C/20 rekommenderas inte av ULTRALIFE. För att erhålla maximal livstid på batteriet skall laddning med C/2 användas. För att uppnå kortast laddningstid kan laddning med upp till 1C användas, men laddning över 1C rekommenderas inte. Omvänd polaritet skall inte användas vid laddning [11].

Figur 3.3: Laddning av ULTRALIFE UBC493483

3.1.4 Urladdning av ULTRALIFE UBC493483

Urladdningen rekommenderas av ULTRALIFE att avbrytas när spänningen sjunkit ned till 3.0V per cell och rekommenderad maximal urladdningsström är 2C. Rekommenderad urladdningstemperatur är -20 °C till +60 °C. Normal kapacitet är 900 mAh vid C/5. I figur 3.4 visas urladdning av ULTRALIFE UBC493483. Vid urladdning vid låga temperaturer minskar dock batteriets kapacitet, se figur 3.5 [11].

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Figur 3.4: Urladdning av ULTRALIFE UBC493483

Figur 3.5: Urladdning av ULTRALIFE UBC493483 vid -20°C

3.1.5 Säkerhetskretsen

På ULTRALIFE UBC493483 batterierna som levererats sitter en säkerhetskrets monterad. Dessa säkerhetskretsar skyddar batterierna mot överbelastningar.

Säkerhetskretsen tillåter inte spänningar över 4.25 V och spänningar under 2.3 V. Den begränsar också för strömmar större än 2-2.5 A. Belastas batteriet utanför dessa gränser slår säkerhetskretsen ifrån och frikopplar batteriet. För att återställa kretsen måste en

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

3.2 Laddningsmodulen

3.2.1 Val av laddningskrets

Ett flertal faktorer har beaktats vid val av laddningskrets och laddningselektronik. Nedan nämns de faktorer som har haft stor betydelse.

Vid laddning av batterier av typen litium-polymer skall en laddare med konstant spänning och konstant ström användas. Denna typ av laddare har beteckningen CVCC. CVCC är en förkortning för det engelska uttrycket Constant Voltage Constant Current. ULTRALIFE rekommenderar laddare från tillverkarna Benchmarq Electronics, Mitsumi Electric, Unitrode, National Semiconductor samt Maxim.

UPS-modulen kommer att finnas i datorsystem som är anpassade för användning i mobila miljöer. Detta medför att temperaturen kommer att variera. ULTRALIFE rekommenderar att laddning av batterierna sker i temperaturområdet 0 °C till +45 °C. Detta måste alltså beaktas vid val av laddningskrets.

På grund av användningsområdet för datorsystemen är det viktigt att snabbt kunna uppnå full kapacitet i batterierna. Full kapacitet minimerar risken för bortfall av data. ULTRALIFE rekommenderar att laddning sker maximalt med batterikapaciteten, det vill säga 900 mA för ULTRALIFE UBC493483.

För att vid ett senare tillfälle kunna uppgradera UPS-modulen bör laddningselektronik och laddningskrets väljas så att laddningsströmmar och laddningsspänningar kan ändras utan större ingrepp i elektroniken.

Efter att tagit hänsyn till temperatur, uppgraderingsmöjligheter samt rekommendationerna från ULTRALIFE föll valet av laddningskrets på BQ2954. BQ2954 är en laddningskrets som med yttre kretsar på ett enkelt sätt kan uppfylla samtliga krav och rekommendationer. BQ2954 är tillverkad av Benchmarq Electronics, som numera är uppköpta av Texas Instruments. BQ2954 är dessutom en av de listade laddningskretsarna som ULTRALIFE rekommenderar.

3.2.2 BQ2954

BQ2954, se figur 3.6 till figur 3.8, är den laddningskrets som utgör kärnan av laddningsmodulen. BQ2954 får sin drivningsspänning, +5V ±10 %, från ordinarie kraftmodul. Denna spänning faller alltså automatiskt bort vid ett avbrott och laddning av batterierna upphör. BQ2954 laddar batteriet i två faser. I fas 1 laddas batteriet med konstant ström tills cirka 70 % av batterikapaciteten har uppnåtts. I fas 2 laddas batteriet med konstant spänning tills det att batteriet har uppnått full kapacitet. Det är även drivspänningen +5 V, även betecknad VCC, som kommer att användas som signal då ett avbrott uppkommer. Är VCC låg är det ett avbrott [1].

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Figur 3.6: BQ2954 - Benkonfiguration

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Hela laddningsförloppet kan följas genom att BQ2954 visar laddningsstatus och fel visuellt med två lysdioder [1]. Dessa signaler görs även tillgänglig via kontaktdonet så att datorsystemet kan kontrollera laddningsstatus när så önskas.

Under pågående laddning kontrolleras att batteritemperaturen ligger inom gränsvärdena. Är batteritemperaturen utanför dessa gränser avbryter BQ2954 laddningen. Laddningen fortsätter då temperaturen återgått till det godkända temperaturintervallet [1].

BQ2954 kan ladda 1-4 celler i serie. I denna konstruktion laddar BQ2954 två batterier som är parallella. Detta innebär att BQ2954 betraktar dessa som en cell [1].

3.2.3 Konstruktion av laddningsmodulen

I de fem följande avsnitten beskrivs hur laddningsmodulen har konstruerats. Laddningen genomförs i flera steg som kan följas i ett tillståndsdiagram. De olika tillstånden omnämns under de fem följande rubrikerna, till exempel ”Strömreglering”. För att öka förståelsen av tillståndsdiagrammet behandlas först konstruktionen och sedan tillståndsdiagrammet, se figur 3.16.

3.2.3.1 Laddningstid

Genom att koppla ett externt RC-nät till BQ2954 bestäms den maximala laddningstiden. Denna tid fungerar som en referenstid. Laddning avslutas efter denna tid oavsett om full kapacitet har uppnåtts eller inte. Internt i BQ2954 divideras denna tid med fyra för att få ännu en referenstid, som bestämmer om laddning skall avbrytas innan laddaren går in i fasen ”Strömreglering” [1].

Laddningstiden kan justeras från 1 timme till 24 timmar. Vid normal laddning av ULTRALIFE UBC493483 tar det cirka 2-3 timmar att uppnå full kapacitet. I denna konstruktion kommer snabbladdning av batterierna att användas för att uppnå full kapacitet så fort som möjligt. Trots detta dimensioneras RC-nätet så att en maximal laddningstid på cirka fyra timmar uppnås. Detta görs för att verkligen vara säker på att batterierna laddas upp så mycket som möjligt, även om de skulle vara dåliga. Uppkommer ett oönskat avbrott skall det vara så mycket kapacitet som möjligt i batterierna för att undvika databortfall. Vid en eventuell uppgradering av systemet med flera eller större batterier behöver eventuellt inte denna tid justera [1, 2].

RC nätet dimensioneras enligt följande:

TM TM MTO 500 R C t = ∗ ∗ Där: RTM är i Ω CTM är i Farad

tMTO är laddningstiden i timmar.

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Texas Instrument rekommenderar CTM = 0.1µF och RTM väljs till 82 kΩ för att uppnå en laddningstid på 4,1 timmar. För realisering se figur 3.9 [1, 2].

82kR9

IC1 _C3

0.1µ

Figur 3.9: Realisering av laddningstid

3.2.3.2 Laddningsspänning

BQ2954 kontrollerar spänningen till batterierna genom att mäta spänningsskillnaden på två ingångar. Denna spänning fås genom att skala batterispänningen med hjälp av en spänningsdelare. Motstånden hos spänningsdelaren måste vara tillräckligt stor för att minimera batteriläckage men tillräckligt liten för att minimera känsligheten för störningar. Detta uppfylls då motstånden RB1+RB2 ligger mellan 150 kΩ och 1 MΩ [1, 2].

Spänningsdelaren dimensioneras enligt följande:

1 2 1 − ∗ = REG CELL V V N RB RB Där:

VCELL är laddningsspänningen på batteriet N är antalet celler i serie

VREG = 2.05 V

Laddningsspänningen är 4.20 V för ULTRALIFE UBC493483 och antalet celler är lika med 1 eftersom det är två parallellkopplade batterier.

41 43 1 05 . 2 20 . 4 1 2 1 ₌ ∗ _{− =} RB RB

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

För att realisera RB1 används ett motstånd på 240 kΩ och RB2 ersätts av två parallellkopplade motstånd på 390 kΩ respektive 560 kΩ. De parallellkopplade motstånden motsvarar ett motstånd på 229.89 kΩ. 150 kΩ < RB1+RB2 < 1 MΩ uppfylls eftersom RB1+RB2 = 470kΩ. För realisering se figur 3.10.

IC1

390kR16 560kR17

240kR11

R24

0.15

Figur 3.10: Realisering av laddningsspänning och laddningsström

Vid en eventuell uppgradering av UPS-modulen, med flera batterier, kommer inte dessa motstånd att bytas. Alla batterier som ULTRALIFE levererar har samma spänningsområde. Används flera parallella batterier betraktas dessa fortfarande som en cell. Detta medför att samma laddningsspänning kommer att användas. Däremot bör en dimensionering av motståndet som styr laddningsströmmen göras för att uppnå snabbast möjliga laddning. För dimensionering av laddningsström se avsnittet Laddningsström.

3.2.3.3 Laddningsström

Enligt ULTRALIFE skall batteriet laddas med 4.20 V tills det att strömmen har sjunkit till IMAX/10. Strömgränsen IMAX/10 väljs genom att ett av benen hos BQ2954 kopplas till jord [1, 2].

BQ2954 kontrollerar laddningsströmmen till batterierna genom ett externt kopplat motstånd. Detta motstånd, RSNS, dimensioneras enligt nedan för att begränsa den maximala strömmen som skall användas vid laddningen av batterierna [1, 2].

MAX SNS I V R = 0.25 Där:

IMAX är den maximala strömmen som används vid fasen ”Strömreglering”.

15 ULTRALIFE UBC493483 tillåter en maximal laddningsström på 0.9 A. Eftersom två parallellkopplade batterier används i denna konstruktion, som betraktas som en cell, medför detta en maximal laddningsström på 1.8 A. Detta ger IMAX = 1.8 A. Värdet på RSNS blir alltså 0.14 Ω.

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

För att realisera detta används ett motstånd som klarar effekten 1 W med storleken 0.15 Ω. 0.15 Ω motsvarar en maximal laddningsström på 1.67 A. Genom att välja denna sort av motstånd kommer motståndet att kunna bytas ut mot andra motstånd av denna typ för att justera laddningsströmmen om så önskas utan att effektutvecklingen överskrids. För realisering se figur 3.10.

3.2.3.4 Batteritemperatur

ULTRALIFE UBC493483 skall laddas i temperaturområdet 0 °C till +45 °C. BQ2954 kontrollerar om laddning är tillåtet genom att mäta potentialen vid benet TS. Denna spänning genereras av två motstånd och ett NTC-motstånd. BQ2954 jämför denna spänning med sina interna tröskelspänningar för att se om laddning är tillåten. Dessa interna tröskelspänningar är följande [1]:

High-Temperature Cutoff Voltage: VTCO = 0.4*VCC

Denna spänning refererar till den maximala temperaturen (TCO) som laddning är tillåten.

High-Temperature Fault Voltage: VHTF = 0.44*VCC

Denna spänning refererar till den temperatur (HTF) som laddningen kan fortsätta vid om den maximala temperaturen (TCO) har uppnåtts.

Low-Temperature Fault Voltage: VLTF = 0.6*VCC

Denna spänning refererar till den minimala temperatur (LTF) som laddning är tillåten. Laddning sker inte så länge temperaturen ligger utanför LTF-TCO. Om temperaturen uppnår TCO måste den sjunka till HTF innan laddningen fortsätter.

TCO bestäms av värdena på RT1 och RT2. Texas Instrument rekommenderar 1 % motstånd. RT1 och RT2 dimensioneras enligt följande:

(

)

(

)

(

)

(

)

RLTF = termistorns resistans vid LTF RHTF = termistorns resistans vid HTF V = VCC-0.250

VCC = +5 V

Här används NTC-motstånd ACC-001 som är en temperaturmatchad termistor som inte behöver kalibreras. Vid temperaturen 0 °C är det 7352.8 Ω och vid temperaturen 40 °C

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Genom att lösa ekvationerna fås RT1 = 998.2 Ω och RT2 = 2201.3 Ω. För realisering se figur 3.11.

För att få en uppskattning av den maximala temperaturen som tillåter laddning beräknas RTCO med hjälp av ekvationerna ovan. Genom att lösa den nedre av de ovanstående ekvationerna med de beräknade motstånden RT1 och RT2, RTCO obekant istället för RHTF samt 0.4 istället för 0.44 fås RTCO = 953.8 Ω. Detta motsvarar en temperatur på cirka +45 °C. IC1 2.2k R25 R26 ACC-001 1k R31

Figur 3.11: Realisering av batteritemperatur

3.2.3.5 Signalering

BQ2954 signalerar visuellt var i laddningsförloppet laddningen befinner sig. Den visuella signaleringen görs med en röd lysdiod och en gul lysdiod. Den röda dioden kopplas till LED1/SCEL och den gula dioden kopplas till LED2/DSEL [1, 2].

BQ2954 erbjuder konstruktören två möjligheter att kontrollera laddningsströmmen till batterierna. Antingen kontrolleras strömmen vid pluspolen, ”high-side”, eller vid den negativa polen, ”low-side”. I denna konstruktion kontrolleras strömmen vid batteriets negativa pol för att minska antalet externa komponenter. För att BQ2954 ska veta vilken konstruktion som är gjord kontrolleras detta av CSEL under initierningsfasen. Ett pull-down motstånd eller inget motstånd bestämmer ”high-side” eller ”low-side”. Genom att inte ansluta ett motstånd används i denna konstruktion ”low-side”. Utgången LED1/CSEL är i hög impedans läge under initieringsfasen så att CSEL kan läsas [1, 2]. BQ2954 erbjuder även tre olika displaymoder. De olika moderna bestäms med hjälp av ett motstånd som kopplat mellan LED2/DSEL och jord eller VCC. Utgången är i hög impedans läge under initieringsfasen så att DSEL kan läsas. I denna konstruktion har det på det tillverkade kortet monterats en bygling för att test av samtliga signaleringsmoder skall kunna göras [1].

När VCC stiger till ett godkänt värde läser BQ2954 av de programmerade inställningarna för DSEL och CSEL. Ingen visuell signalering sker då data läses in. Inläsning av data tar cirka 400 ms [1].

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

För att se skillnaden mellan de olika signaleringsmoderna se figur 3.12 till figur 3.14. Figur 3.12 illustrerar en normal snabbladdningscykel. Figur 3.13 illustrerar laddningscykeln efter snabbladdning. Figur 3.14 illustrerar ett onormalt tillstånd.

BQ2954 har en till signal som används för att signalera laddningsstatus, CHG. Denna utgång signalerar låg när batteriet tas bort, när temperaturpendlig äger rum, när förflyttning till tillståndet “Fel” har skett och när laddningen av batterierna är klar [1, 2]. BTST är en utgång som kan ses i figurerna nedan. Denna utgång används till konstruktioner som tillåter anslutning och borttagande av batterier under laddning. BTST används inte i denna konstruktion, eftersom batterierna alltid kommer att vara monterade.

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Figur 3.13: Laddningscykeln efter snabbladdning

Figur 3.14: Onormalt tillstånd

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

CHG, LED1 och LED2 kopplas till kontaktdonet som ansluter UPS-modulen i datorsystemet så att laddningsstatus skall kunna kontrolleras av datorsystemet då så önskas. För realisering se figur 3.15.

IC1 R23 1k D7 EL17-21UYC/A6 D9 EL17-21USRC R7 10k

Figur 3.15: Realisering av LED1/CSEL, LED2/DSEL och CHG

3.2.4 Beskrivning av laddningsförloppet

BQ2954 genomför laddningen i flera steg. Laddningsförloppet beskrivs i ett tillståndsdiagram med tillhörande textavsnitt. Tillståndsdiagrammet och textavsnittet bör läsas parallellt för att öka förståelsen av laddningsförloppet. Tillståndsdiagrammet visas i figur 3.16. Tillståndsdiagrammet förklaras här kortfattat. För mer detaljerad beskrivning hänvisas till databladet över BQ2954 [1].

Tillståndsdiagrammet steg för steg

Spänningstillslag:

Laddningen börjar då BQ2954 får spänningsförsörjning. BQ2954 läser in de inställningar som skall beaktas under laddningen. Se rubriken Signalering. Efter inläsning av data ställer sig BQ2954 i tillstånd ”T01” [1].

Om temperaturen någon gång under laddningen, efter tillstånd ”T01”, blir för låg avbryts laddningen och BQ2954 ställer sig i tillstånd ”T05” [1].

T01:

Kontroll av batteritemperatur genomförs. Ligger batteritemperaturen utanför de förbestämda gränserna stannar laddningen i tillstånd ”T01” och väntar tills temperaturen ligger inom de tillåtna gränserna. Då temperaturen tillåter laddning nollställs timern tMTO och laddningen förflyttas till tillstånd ”T02” [1].

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

T02:

I detta tillstånd reglerar BQ2954 strömmen till IMAX/10. Efter en initieringstid, som skyddar IC-kretsen från att reagera på spänningsspikar som kan uppkomma när laddningsströmmen först appliceras, börjar BQ2954 mäta spänningen på batteriet. Om spänningen inte stiger till den tröskelspänning som motsvarar lägsta tillåtna batterispänningen för snabbladdning inom tMTO/4 övergår BQ2954 till tillståndet ”Fel”. Om batteriet når tröskelspänning inom tMTO/4 övergår BQ2954 till tillstånd ”T03”, nollställer tMTO och påbörjar snabbladdning [1].

T03, ”Strömreglering”:

BQ2954 reglerar i detta tillstånd en konstant ström till batteriet tills batterispänningen uppnått 4.2 V. Skulle tiden T uppnå tMTO uppkommer ett tidsfel och laddningen flyttas till tillståndet ”Fel”. Laddningen förflyttas även till tillståndet ”Fel” om batteriet blir överladdat. När strömladdningen är klar förflyttas laddningen till tillståndet ”T04” [1]. T04, ”Spänningsreglering”:

BQ2954 reglerar i detta tillstånd en konstant spänning till batteriet. Laddningsströmmen sjunker till ITERM = IMAX/10 och batteriet uppnår full kapacitet. När full kapacitet har uppnåtts signaleras detta. Laddningen stannar i tillståndet ”T04” om T < tMTO. När tiden T uppnått tMTO övergår laddningen till tillstånd ”T05” [1].

T05, ”Klar”:

När laddningen är genomförd väntar BQ2954 tills batterispänningen sjunker under en intern tröskelspänning som motsvarar cirka 3.8 V. Om batteritemperaturen inte är för hög påbörjas en ny laddningscykel efter en fördröjning på cirka 1 sekund. Har batteritemperaturen någon gång under laddningen blivit för hög förflyttas laddningen till detta tillstånd och väntar tills temperaturen sjunker. Skulle batteriet visa sig vara överladdat flyttas laddningen till tillståndet ”Fel” [1].

”Fel”:

Har Laddningen av någon anledning förflyttat sig till tillståndet ”Fel” står den kvar i detta tillstånd tills spänningsförsörjningen till BQ2954 går låg. Vid ett nytt spänningstillslag startar en ny laddnings cykel [1].

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

T02 VBAT < VMIN:ISNS=IMAX/10

CHG = 1

VBAT > VMIN

Reset tMTO

T03 IT<tSNS=IMTOMAX:VBAT<VREG

CHG = 1

VBAT=VREG

T04

VBAT=VREG:IMAX>ISNS>ITERM

T<t_MTO CHG = 1 T=tMTO ISNS=ITERM T05 Temperatur för hög MOD=0 VRCHG<VBAT<VHCO CHG = 1 Fel CHG = 0 Strömreglering Spänningsreglering Klar Inkikaton fulladdat

DSEL och CSEL läses in Spänningstillslag Vcc +5V Tidsfel T=tMTO/4 Temperatur ej godkänd Temperatur ej godkänd Temperatur ej godkänd

Spänningsfel eller tidsfel VBAT>VHCO eller T=MTO

Spänningsfel V_BAT>V_HCO Spänningsfel VBAT>VHCO Temperatur ej för hög och VBAT<VRCHG

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

3.3 Kontrollmodulen

Som tidigare nämnts finns det två olika sorters avbrott, önskade och oönskade. Då ett oönskat avbrott har uppkommit skall givetvis UPS-modulen ersätta ordinarie kraftmodul så att data kan sparas och ett korrekt avslut kan göras. Har redan data sparats och ett korrekt avslut gjorts hamnar datorsystemet i läget ”Nu kan du stänga av datorn”. Vid detta tillfälle skall INTE UPS-modulen fortsätta driva datorsystemet i detta läge då huvudströmmen bryts. Om datorsystemet skulle drivas i detta läge urladdas batterierna i onödan För att förhindra detta används en kontrollmodul som bestämmer när UPS-modulen skall vara aktiv eller inte.

Då ordinarie kraftmodul slås på sätts en signal i datorsystemet hög. Denna signal kommer att vara hög tills data har sparats samt ett korrekt avslut har gjorts. Först när datorsystemet har hamnat i läget ”Nu kan du stänga av datorn” går denna signal låg, se figur 3.17. Med hjälp av denna signal styrs om UPS-modulen skall vara aktiv eller inte.

Datorsystemet slås på Datorsystemet tillåter ett avbrott

Datorsystemet under drift

Figur 3.17: Styrsignal - UPS_ON/OFF

3.3.1 Konstruktion av kontrollmodulen

Kontrollmodulen konstrueras på ett sådant sätt att den blockerar eller släpper igenom ström från batterierna till transformationsmodulen. Detta görs med hjälp av en optokopplare och en P-MOSFET. Se figur 3.18 [4, 8].

UPS_ON/OFF Transformationsmodul GND BAT+ BAT-Optokopplare P-MOSFET R R Figur 3.18: Kontrollmodulen

P-MOSFET:en är en Si4427DY från Vishay Siliconix. Den klarar av kontinuerliga strömmar upp till 7.5 A. Den ligger dessutom i en liten soic-8 kapsel. P-MOSFET:en kommer maximalt att belastas med en ström på 4-4.5 A, men detta val av komponenter gjordes för att kontrollmodulen skall klara av en eventuell uppgradering [4, 8].

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Optokopplaren är av typen ILD217T från Vishay Siliconix. I varje SOIC-8A kapsel finns det två optokopplare. Detta gör att endast en kapsel kommer att behövas användas trots att det är två parallella system. [4, 8]

Med hjälp av signalen UPS_ON/OFF bestäms om UPS-modulen skall vara aktiv eller inte. Är signalen låg leder inte transistorn i optokopplaren. Detta medför att strömmen från batteriet blockeras. Är signalen UPS_ON/OFF hög leder transistorn i optokopplaren och P-MOSFET:en kopplas till BAT- som är den negativa polen på batteriet. Batteriet är nu kopplat till transformationsmodulen.

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

3.4 Transformationsmodulen

Transformationsmodulens uppgift är att se till att UPS-modulen levererar rätt spänning och ström. UPS-modulen skall leverera ut 5 V och 4 A. Detta medför att transformationsmodulen skall leverera 5.5 V eftersom ett spänningsfall på 0.5 V uppkommer över den sista schottkydioden i transformationsmodulen. Batterispänningen ligger som tidigare nämnts på 4.2 V ned till 3.0 V som alltså inte är tillräckligt. För att erhålla den önskade spänningen på 5.5 V används en DC/DC konverterare. Eftersom två parallella system används räcker det att varje system levererar 2 A.

Genom att ta hänsyn till spänning och ström valdes Step-Up DC/DC konverteraren MAX1709ESE från MAXIM, se figur 3.19 till och figur 3.21.

Figur 3.19: MAXIM1709ESE - Benkonfiguration

Figur 3.20: MAXIM1709ESE - Dimensioner

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Figur 3.21: MAX1709ESE - Blockdiagram

3.4.1 MAX1709ESE

MAX1709ESE är en liten DC/DC Step-Up konverterare med de fixa utspänningarna +3.3 V eller +5 V. Den har dessutom justerbar utspänning från +2.5 V till +5.5 V. Den klarar av att leverera 20 W och har det tillåtna inspänningsområden +0.7 V till +5 V. Effektförbrukningen är endast 1 mW och temperaturområdet är från –40 °C till +85 °C [6].

3.4.1.1 Drivningsspänning

MAXIM1709ESE drivs av spänningen på OUT. Kretsen har alltså ingen separat spänningsförsörjning. Mellan benet OUT och PGND kopplas en kapacitans på 0.1 µF. Från output-filtrets kapacitans kopplas ett motstånd på 2 Ω till benet OUT. Se figur 10.3, appendix 1 [6].

3.4.1.2 Verkningsområde

ULTRALIFE UBC493483 har som tidigare nämnts en säkerhetskrets. Säkerhetskretsen kopplar bort batteriet när batterispänningen sjunkit till 2.3 V. Vid användande av MAX1709ESE som tillåter en inspänning ned till +0.7 V kan maximalt tillåten batterikraft utnyttjas.

3.4.1.3 Styrsignaler

MAX1709ESE har två styrsignaler, ONA och /ONB, som används för att slå på och av kretsen. Dessa styrsignaler är konfigurerade enligt tabell 3.1. Eftersom MAX1709ESE alltid skall vara påslagen kopplas ONA och /ONB till jord [6, 7].

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Tabell 3.1: Konfiguration över ONA och /ONB

Skulle dessa styrsignaler användas för att slå av och på UPS-modulen skulle det uppkomma ett läckage av ström genom det externa nätet som är kopplat till MAX1709ESE. För att undvika detta läckage används istället en kontrollmodul.

3.4.1.4 Clock Input till MAX1709ESE

I denna konstruktion används den interna klockan i MAX1709ESE på 600 kHz. Möjligheten att använda en extern klocka på 350 kHz till 1000 kHz finns också. Den interna klockan används för att undvika fler externa komponenter [6, 7].

För att använda den interna klockan på 600 kHz skall en induktans på 1.0 µF användas. Denna kopplas mellan VIN och LX. En induktans med ferritkärna eller liknande bör användas. Induktans med pulverjärnkärna rekommenderas inte att användas vid höga frekvenser. Här är det viktigt att induktansens mättningsgräns är anpassad till den interna strömgränsen. Det vill säga strömmen då kärnan börjar bli mättad och induktansen sjunker. Denna ström kommer att minskas om inte den maximala matningsströmmen behövs. För bästa effektivitet skall en kärna med låg DC motstånd användas, gärna under 10 mΩ. För att minimera störningar bör en induktans med en torid, pot eller skärmad kärna användas. MAXIM rekommenderar två induktanser som båda uppfyller samtliga rekommendationer, Coilcraft DO3316P-102HC och Coiltronics UP2B-1R0. I denna konstruktion används Coilcraft DO3316P-102HC på grund av leveransmöjligheter [6].

3.4.1.5 Dimensionering av utspänningen

OBS: Vid test av UPS-modulen visade det sig att nedanstående inte stämmer. Se rubriken Test och verifiering.

För att erhålla den önskade utspänningen 5.5 V kopplas en spänningsdelare mellan VOUT och GND. Två motstånd dimensioneras och kopplas mellan VOUT och benet FB

samt mellan benet FB och GND. MAXIM1709ESE får då en potential vid FB som gör att MAXIM1709ESE vet vilken spänning som skall genereras [6].

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

R43 och R44 dimensioneras enligt följande[6]:       − ∗ = ₄₃ 1 44 FB OUT V V R R Där: VFB = 1.24V R43 ≤ 50kΩ

VOUT är den önskade utspänningen 5.5 V

Detta ger sambandet mellan R43 och R44 till följande:

      ∗ = 62 213 43 44 R R

R44 skall väljas tillräckligt stort för att minimera lasten på utgången men tillräckligt liten

för att minimera fel på grund av läckage och R43 ≤ 50kΩ. Genom att välja R43 till

31 kΩ ≤ 50kΩ fås R44 till 106.5 kΩ.

För att realisera detta väljs motstånden R43 = 30 kΩ och R44 = 110 kΩ för att med

säkerhet uppnå 5.5 V. Vid kontrollräkning med dessa motstånd skulle det innebära en spänning på cirka 5.79 V, men MAXIM1709ESE kan endast leverera maximalt 5.5 V.

3.4.1.6 Strömbegränsning

OBS: Vid test av UPS-modulen visade det sig att nedanstående inte stämmer. Se rubriken Test och verifiering.

En strömbegränsning görs eftersom ULTRALIFE UBC493483 inte får belastas med mer än 2C. För att minska begränsningen av laddningsströmmen till MAX1709ESE kopplas ett motstånd mellan benen SS/LIM och GND. Detta ändrar strömgränsen enligt följande [6]:       ∗ = LIM I I kOhm R 1 39 312.5 Där: R39 ≤ 312.5 kΩ

I1 är den önskade strömgränsen i ampere. Den sätts till 2 A som är i överkant vad

batteriet ULTRALIFE UBC493483 klarar av. ILIM är strömgränsen enligt datablad.

ILIM och R39 är linjärt beroende av varandra och avläses i en graf i databladet. Detta ger

bara ett uppskattat värde för R39 och ILIM eftersom grafen som finns tillgänglig i

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Med önskad I1 = 2 A avläses de ungefärliga värdena på R39 och ILIM till följande:

R39 = 125 kΩ och ILIM = 5 A.

3.4.1.7 Beräkning av maximal utström

För att beräkna den maximala strömmen som kommer att kunna levereras användes den av MAXIM givna ekvationen[6]:

              ∗ ∗ − + − ∗ = 1 ' ´ ) ( 2 f L V V V D I D I OUT D IN LIM MAX OUT Där:

VIN = Spänningen till MAX1709ESE

VD = Tröskelspänningen i framåt riktningen för schottkydioden vid strömmen ILIM.

VOUT = Önskad utspänning

D’ = VIN/(VOUT+VD)

f = frekvensen

L1 = Induktansen 1.0 µF.

ILIM = Det lägsta värdet på strömmen som bestäms av RSET/LIM

Med inspänningen 4.2 V till 3.0 V, tröskelspänningen 0.5 V för shottkydioden, önskad utspänningen 5.5 V, frekvensen 600 kHz, L1 = 1.0 µF samt en uppskattning av ILIM

beräknas maximal ström.

Om motståndet R1 = 125 kΩ uppskattas ILIM till cirka 5 A.

Med ILIM = 5 och VIN = 4.2 ger IOUT,MAX = 2.8 A.

Med ILIM = 5 och VIN = 3.0 ger IOUT,MAX = 1.9 A.

Detta är bara en uppskattning av IOUT,MAX. Vid test av UPS-modulen måste IOUT mätas

vid belastning.

3.4.1.8 Beräkning av effektförluster för MAX1709ESE

De största effektförlusterna för MAX1709ESE beror på effektförluster vid switchning. Förluster på grund av ledningsförmåga PSW, kapacitiva förluster PCAP och

överföringsförluster PTRAN [6].

En viktig parameter att beräkna är effektförlusten vid switchning då det är en strömspik, ISW [6]: ´ D I I OUT SW = D OUT IN V V V D + = ´ TRAN CAP SW D MAX ESE P P P P ( 1709 )= + + SW SW SW D I R P = − 2× ´) 1 ( 29

Kapitel 3 - Konstruktion och teori

Där:

RSW = switch motstånd, 33 mΩ

PCAP = (CDIO+CDSW+CGSW)(VOUT+VD)²*f

CDIO = catch-diod kapacitans, 1000 pF

CDSW = switch drain kapacitans, 2500 pF

CGSW = switch gate kapacitans, 1500 pF

f = switchningsfrekvensen, 600 kHz PTRAN = (VOUT+VD)ISW*tSW*f/3

tSW = switch på/av tiden, 31.25 ns

PD(MAX1709ESE) fås då till 0.30 W vid en inspänning på 4.2 V och 0.52 W vid en

inspänning på 3.0 V.

3.4.2 Val och dimensionering av några externa komponenter

Kapacitans på ingången:

En 330 µF kapacitans med lågt ESR värde sätts på ingången för att minska strömspikar och reflekterade störningar på grund av induktorns strömsvängningar. Lågt ESR medför lägre svängningar på strömmen in till MAX1709ESE [6]. ESR är en förkortning för det engelska uttrycket Equivalent Series Recistance.

Kapacitanser på utgången:

Kapitel 4 - Komponentplacering och layout

4 Komponentplacering och layout

I detta kapitel beskrivs hur komponenterna har placerats på kortet.

Komponentplaceringen har gjorts gruppvis. UPS-modulen består av två parallella system som vardera består av fyra stora delar. Dessa fyra delar är batterimodulen, laddningsmodulen, kontrollmodulen och transformationsmodulen. På undersidan av kortet sitter batterimodulen. Den upptar hela undersidan av kortet. Genom fyra hål i kortet ges tillgång till batteripolerna på ovansidan av kortet. På ovansidan av kortet finns på vänster respektive höger sida de två parallella systemen. Närmast batteripolerna finns laddningsmodulen. I mitten är kontrollmodulen placerad och närmast kontaktdonet finns transformationsmodulen. Det föreföll sig lämpligt att placera dessa moduler i denna ordning eftersom UPS-modulen är konstruerad som två seriella system som är parallella. 0,00 0, 00 3,90 6, 52 107,0 44,2 71,6 74 ,0 20 ,3 53,3 103,1 8, 6 32 ,5 41,7 65,5 51,3 33 ,0 48,3 57,4 16,3 Laddn ing 1 Ladd ning 2 Laddn ing 1 Kontaktdon Kontrollmodul 1 och 2 Transf ormatio nsmodu l 2 Transf ormatio nsmodu l 1 Laddn ing 2 Figur 4.1: Komponentplacering

Vid placeringen har krav från komponentleverantörerna samt förenkling av ledningsdragningen beaktats. Komponenter som är sammankopplade har placerats och roterats för att uppnå kortast möjliga avstånd mellan komponenterna.

Kapitel 4 - Komponentplacering och layout

Kortet har tillverkats hos PrintLine i Danmark. Monteringen av komponenter har gjorts hos AerotechTelub AB i Linköping. Kortet är tillverkat i fyra lager, med jordplanet på ovansidan. Hur de olika lagren ser ut och hur ledningsdragningen är gjord kan ses i appendix 2. I figur 4.2 nedan visas den färdiga prototypen. Endast ett av de två parallella systemen monterades.

Kapitel 5 - Mekanisk konstruktion

5 Mekanisk konstruktion

I detta kapitel beskrivs den färdiga produktens mekaniska utformning.

5.1 Inkapsling

Under utvecklingen av denna UPS-modul har komponentval och konstruktionen anpassats efter förutsättningarna för plats, krav och funktionalitet. Detta har beaktats eftersom det redan från början var önskvärt att UPS-modulen skulle kapslas in i en kapsel som även skulle vara avsedd för en liten hårddisk.

Hårddisken som används i datorsystemet är av märket Toshiba med dimensionerna: bredd 7 cm, längd 10 cm och höjd 0.8 cm. Denna hårddisk styrde dimensionerna hos den UPS-modul som skulle utvecklas. Det finns inte idag någon färdig kapsel till denna hårddisk. Under utvecklingen av UPS-modulen har diskussioner förts rörande inkapslingen av hårddisken och UPS-modulen, för att komma fram till en prototyp som skall vara anpassad till båda.

Prototypen som har utvecklats kommer att passa till både hårddisken samt UPS-modulen när den är färdigutvecklad. Inkapslingen är inte färdigutvecklad eftersom även mekaniska anpassningar till hårddisken måste ses över. Mekaniska anpassningar som värme, fastsättning och yttre kretsar måste beaktas innan en färdig inkapslingsprototyp fastställs. Det färdiga kortet till UPS-modulen har en längd på 107 mm. Detta gör att det troligtvis inte är UPS-modulen som sätter gränsen för hur lång kassetten kommer att bli. Hårddisken har en längd på 10 cm vilket medför att kortet till hårddisken kommer att bli längre, eftersom även hårddisken kommer att ha ett kontaktdon anslutet.

Inkapslingen skall göras i en kassett där det antingen finns plats för en UPS-modul eller en hårddisk. Användaren väljer sedan själv om en UPS-modul eller en extra hårddisk skall anslutas till datorsystemet. Kassetten som tagits fram kommer att kunna föras in i datorsystemet som en löstagbar kassett, utan att datorsystemet behöver öppnas. För att datorsystemet skall veta om en UPS-modul eller en hårddisk ansluts har ett kontaktdon med nycklar använts, se rubriken Kontaktdon.

I figur 5.1 och figur 5.2 visas en tidig prototyp av den kassett som är under utveckling.

Kapitel 5 - Mekanisk konstruktion

Figur 5.1: Kassett - framsida

Figur 5.2: Kassett - baksida

5.2 Kontaktdon

Vid val av kontaktdon har följande krav beaktats:

1. Dimensioner som är anpassade till konstruktionen 2. Slittålighet

3. Guldpläterade kontaktytor

4. Skruvar för fastsättning av kontaktdonet 5. Styrpinnar med nycklar

Kapitel 5 - Mekanisk konstruktion

Efter att varit i kontakt med ett flertal leverantörer och beaktat ett flertal kontakdon föll valet av kontaktdon på serien HE 809 från ATI. Dessa kontaktdon levereras av Elderway´s Electronics AB som är en känd leverantör hos AerotechTelub AB.

Kontaktdonet som används i denna konstruktion är HE 809 FM 062 A V1 A 3 0.8. Denna kontakt uppfyller samtliga krav som beaktades vid valet av kontaktdon. Kontaktdonet har 62 guldpläterade stift som gör att kontaktdonet kan användas till hårddisken som har 47 anslutningar. Kontakdon med 47 stift finns inte av denna typ. Närmast större kontaktdon är det valda kontaktdonet med 62 stift [5].

Kontaktdonet har två styrpinnar som förhindrar att de ledande stiften skadas vid insättning av kontakten. Dessa styrpinnar fungerar även som nycklar, med sex individuella lägen vardera. Genom att ställa dessa nycklar i olika lägen för en UPS-modul och för en extra hårddisk förhindras att en hårddisk monteras på en plats som är avsedd för en UPS-modul. Nedan visas i figur 5.3, figur 5.4 och figur 5.5 kontakten som används och dess dimensioner [5].

Figur 5.3: Kontaktdon-framsida

Figur 5.4: Kontaktdon-dimensioner-sidovy

Figur 5.5: Kontaktdon-fastsättning-sidovy

Kapitel 5 - Mekanisk konstruktion

Vid konstruktionen av denna prototyp har detta kontaktdon, HE 809 FM 062 A V1 A 3 0.8, med utstående stift valts för att förenkla mätning och testning. Vid ett skarpt projekt bör en kontakt utan utstående stift väljas. Detta på grund av att om UPS-modulen inte används vill man inte ha några utstående stift som kan skadas vid hantering och förvaring. Kontaktdonet HE 809 EM 062 A V1 A 3 0.8 som har samma egenskaper som HE 809 FM 062 A V1 A 3 0.8 bör då användas. Man kan byta till detta kontaktdon utan några som helst ändringar i konstruktionen eller layouten. HE 809 EM 062 A V1 A 3 0.8 har samma dimensioner och fastsättning som HE 809 FM 062 A V1 A 3 0.8 [5].

Under utvecklingen av UPS-modulen har ett flertal signaler kopplats till kontakten. Prototypen bygger på två parallella system. Därför finns nu på prototypen ett överskott av signaler på grund av att varje system har separata signaler. Det finns alltså bland annat dubbelt så många styrsignaler och signaler för övervakningen av laddningen. Detta har gjorts för att förenkla utvärderingen och eventuell felsökning av denna konstruktion. I ett skarpt projekt bör mer diskussion föras rörande signalering och matning för att minimera antal signaler till och från UPS-modulen. Det kan till exempel vara mer intressant att se att UPS-modulen fungerar än att se i vilket laddningstillstånd laddningsmodulen befinner sig i. I figur 5.6 nedan visas de signaler som är kopplade till kontaktdonet.

Figur 5.6: Kontaktdonets anslutningar

I figur 5.6 visas till vänster de stift som används till det vänstra parallella systemet. 19-36VDC_1 är en spänning som tas innan ordinarie kraftmodul. Denna spänning används till att ladda batterierna som tillhör batterimodulen. VOUT1_UPS är de stift som levererar kraften från UPS-modulen då det har uppkommit ett avbrott. CHG_STATUS_1.1 till CHG_STATUS_1.3 är de signaler som signalerar laddningsstatus. VCC är drivningsspänningen till BQ2954. Datorsystemet kontrollerar

VCC för att se om det är ett avbrott. Om VCC är låg är det ett avbrott och datorsystemet

Kapitel 5 - Mekanisk konstruktion

Till höger i figur 5.6 visas de stift som används till det högra parallella systemet. Hela mittersta raden av kontaktdonet är kopplat till GND.

För mer information och detaljer om kontaktdon se katalogen ATI e´lectronique, [5], eller kontakta Elderway´s Electronic AB.

5.3 Fastsättning av kortet

Kortet som har utvecklats kommer att monteras fast på två olika sätt i den avsedda kassetten, se figur 5.7. Kortet kommer att klämmas fast mellan de två profiler som utgör ytterhöljet av kassetten. Med fastklämning undviks ett flertal hål för fastsättning. Detta spar utrymme på kortet och man slipper vid korttillverkningen ta hänsyn till onödigt många hål som kan inkräkta på de olika lagren i kortet.

Två hål, placerade mellan polerna på batterierna kommer dock att användas. Dessa hål används för att fästa kortet i kassetten, för att undvika att kortet dras ur kassetten vid borttagande av kassetten från ett datorsystem.

0,00 0, 00 3,90 6, 52 107,0 44,2 71,6 74 ,0 20 ,3 53,3 103,1 Hål D3,4 (2X) för montage i kassetten 8, 6 32 ,5 41,7 65,5 51,3 33 ,0 48,3 57,4 16,3 Hål för batteripolerna Område för fastklämning

Figur 5.7: Fastsättning av kort

Kapitel 5 - Mekanisk konstruktion

5.4 Fastsättning av batterimodul

Batterimodulerna monteras på undersidan av kortet. På översidan av kortet har tre horisontella områden lämnats tomma. På dessa områden monteras inga komponenter eftersom dessa områden är avsedda för buntband. Batterimodulerna läggs på undersidan av kortet och fixeras med hjälp av tre buntband som löper runt hela kortet. I kanterna av kortes ses sex hål med diametern 6mm. Dessa hål fräses ur och är avsedda att fixera buntbanden, se figur 5.8.

För att kontrollera att batteritemperaturen ligger inom godkänt temperaturområde vid laddning används två NTC-motstånd. Dessa är inte ytmonterade utan dras genom kortet via två hål till undersidan av kortet där batterierna finns, se figur 5.8. NTC-motstånden monteras sedan fast mellan batterierna Detta görs för att temperaturen skall kunna kontrolleras på två batterier med endast ett NTC-motstånd.

0,00 0, 00 3,90 6, 52 107,0 44,2 71,6 74 ,0 20 ,3 53,3 103,1 hål D6 (6X), opleterat för buntband 8, 6 32 ,5 41,7 65,5 51,3 33 ,0 48,3 H å l D 3 ,4 (2 X ), o p le te ra t fö r N T C -m o ts tå n d 57,4 16,3

Kapitel 6 - Test och verifiering

6 Test och verifiering

I detta kapitel presenteras de resultat som erhölls vid testning av konstruktionen.

Testerna av konstruktionen har gjorts i labbmiljö hos AerotechTelub i Linköping. Vid monteringen bestyckades ett av de parallella systemen. Därefter gjordes testerna på detta system. Samtliga moduler som monterats har funktionskontrollerats. Störst vikt har lagts vid att få en uppskattad drifttid vid olika belastningar.

I kopplingarna som kan ses i appendix 1 finns det ett antal nollmotstånd. Dessa nollmotstånd har används som byglingar. Genom att isolera modulerna har separata modultester kunnat göras.

Det hade varit önskvärt att kunna simulera konstruktionen innan den tillverkades. Detta har inte kunnat genomföras eftersom det inte finns några modeller att ladda ned som beskriver BQ2954 och MAX1709ESE. Dessutom fanns det inte tillgång till något simuleringsprogram som tillät kopplingar med flera komponenter.

Utrustningen som har används är vanlig labbutrustning. Ett digitalt oscilloskop och en multimeter har använts vid mätning av spänning. En multimeter har använts för att mäta strömmar. För att generera spänningar till BQ2954 och styrsignaler har två spänningsaggregat använts. För att simulera datorsystemet som skall drivas har ett justerbart motstånd används. En enkel testbänk med lösa kablar har konstruerats. Testbänken kan ses figur 6.1.

Figur 6.1: UPS-modulen monterad i testbänk

Kapitel 6 - Test och verifiering

6.1 Test av Kontrollmodulen

Första testet som gjordes var en funktionstest av kontrollmodulen. Kontrollmodulen isolerades och en spänning på 5V simulerade signalen UPS1_ON/OFF. Kontrollmodulen visade sig att fungera.

6.2 Test av Transformationsmodulen

Transformationsmodulen isolerades och funktionskontrollerades. En inspänning motsvarande 4.2V genererades av ett kraftaggregat. Testet visade att utspänningen var samma som inspänningen. Utspänningen mättes innan sista schottkydioden. Det förväntade värdet var 5.5V. En kontrollmätning av potentialen vid benet FB hos MAX1709ESE visade 1.7V. Denna spänning skulle enligt databladet vara 1.25V [6]. Detta medförde att en kontrollräkning av formeln för dimensionering av utspänningen gjordes. Det visade sig att en spänningsdelning i databladet var fel. Se även rubriken Dimensionering av utspänningen. I databladet angavs följande formel [6]:

R3 och R4 dimensioneras enligt följande:       − ∗ = ₄₃ 1 44 FB OUT V V R R

Vid kontrollräkningen av denna formel visade det sig att det skall vara följande:

1 43 44 1 −       − ∗ = FB OUT V V R R eller       − ∗ = ₄₄ 1 43 FB OUT V V R R

För att åtgärda detta fel monterades ett motstånd, ej ytmonterat, parallellt med R44, se

appendix 1. Motståndet valdes till 9.52kΩ. De två parallellkopplade motstånden motsvarar ett motstånd på 8.8kΩ. Det nya testet gav en utspänning på 5.5V.

När kontrollmodulen fortfarande var isolerad från transformationsmodulen anslöts batterimodulen. Ett funktionstest med låg belastning gjordes för att kontrollera om MAX1709ESE levererade rätt spänning med batterimodulen inkopplad. Ingen spänning kunde mätas upp på utgången. Det visade sig att batteriets minuspol inte hade någon referens till jord då laddningsmodulen inte var inkopplad. För att generera denna referens kopplades en lös kabel mellan batteriets minuspol och jord. Utspänningen kunde då uppmätas till 5.5V. Testet genomfördes tills säkerhetskretsen på batteriet slog ifrån.