【導(dǎo)讀】在當(dāng)今持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的世界里，無(wú)論外部環(huán)境或運(yùn)行條件如何，許多電子系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行是常見(jiàn)現(xiàn)象。換句話說(shuō)，系統(tǒng)電源的任何故障，無(wú)論是瞬時(shí)、以秒計(jì)還是以分鐘計(jì)的故障，都必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中加以考慮。處理此類情況的最常見(jiàn)的方式是使用不間斷電源(UPS)來(lái)彌補(bǔ)這些短暫的停機(jī)時(shí)間，從而確保系統(tǒng)以高可 靠性連續(xù)運(yùn)行。
在當(dāng)今持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的世界里，無(wú)論外部環(huán)境或運(yùn)行條件如何，許多電子系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行是常見(jiàn)現(xiàn)象。換句話說(shuō)，系統(tǒng)電源的任何故障，無(wú)論是瞬時(shí)、以秒計(jì)還是以分鐘計(jì)的故障，都必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中加以考慮。處理此類情況的最常見(jiàn)的方式是使用不間斷電源(UPS)來(lái)彌補(bǔ)這些短暫的停機(jī)時(shí)間，從而確保系統(tǒng)以高可 靠性連續(xù)運(yùn)行。
儲(chǔ)存介質(zhì)
眾多系統(tǒng)需要備用電源，而問(wèn)題是：此類備用電源的儲(chǔ)存介質(zhì)有哪些選擇？傳統(tǒng)選擇是電容和電池。
可以說(shuō)，電容技術(shù)在電力傳輸和配送應(yīng)用中發(fā)揮重要作用已有數(shù)十年之久。例如，傳統(tǒng)的薄膜和油基電容的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)很多種功能，包括功率因數(shù)校正和電壓平衡等。但是，過(guò)去十年中進(jìn)行了大量的研究和開(kāi)發(fā)，使得電容設(shè)計(jì)和容量有了顯著進(jìn)步。這些先進(jìn)的電容被稱為超級(jí)電容，非常適合用于電池儲(chǔ)能和備用電源系統(tǒng)。超級(jí)電容的總儲(chǔ)能量有限，但其能量密度非常高。此外，超級(jí)電容具有快速釋放高能量并快速充電的能力。
超級(jí)電容不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且穩(wěn)健可靠，可滿足備用電源系統(tǒng)的要求，應(yīng)對(duì)短期電源喪失事件。另外，超級(jí)電容很容易并聯(lián)或串聯(lián)堆疊，甚至采取串并聯(lián)組合，為最終應(yīng)用提供必要的電壓和電流。然而，超級(jí)電容不僅僅是具有非常大容值的電容器。與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷電容、鉭電容或電解電容相比，同樣尺寸和重量的超級(jí)電容具有更高的能量密度和更大的電容。雖然超級(jí)電容需要特殊維護(hù)，但在需要高電流/短時(shí)備用電源的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中，其超越甚至可以替換電池。
此外，超級(jí)電容還可用于各種需要高突發(fā)電流或短暫備用電池的高峰值功率和便攜式應(yīng)用中，例如UPS系統(tǒng)。與電池相比，超級(jí)電容以更小的尺寸提供更高的突發(fā)峰值功率，并且充電循環(huán)次數(shù)更多，工作溫度范圍更寬。通過(guò)降低超級(jí)電容的上截止電壓并避免高溫(> 50°C)，可以最大限度地延長(zhǎng)超級(jí)電容的使用壽命。
另一方面，電池可以儲(chǔ)存大量能量，但在功率密度和輸送方面有局限性。電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故其充電循環(huán)次數(shù)很有限。因此，如果要在較長(zhǎng)時(shí)間里輸送適量功率，那么電池最有效，而讓電池非常迅速地輸出大電流，則會(huì)嚴(yán)重縮短其有效使用壽命。表1總結(jié)了超級(jí)電容、普通電容和電池的優(yōu)缺點(diǎn)。
表1. 超級(jí)電容與普通電容和電池的特性比較
新型備用管理器電源解決方案
現(xiàn)在我們已經(jīng)明確，超級(jí)電容、電池和/或二者的組合可以用作幾乎所有電子系統(tǒng)的備用電源，那么有哪些解決方案可用呢？
首先，任何 IC 解決方案都會(huì)需要一個(gè)完整的鋰離子電池備用電源管理系統(tǒng)，其必須能夠在主電源發(fā)生故障時(shí)讓 3.5 V 至 5 V 電源軌保持供電。電池提供的能量比超級(jí)電容要多很多，因此需要備用電源長(zhǎng)時(shí)間供電的應(yīng)用使用電池更合適。相應(yīng)地，任何 IC 解決方案都會(huì)需要片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器，以便對(duì)備用電池高效率充電；如果主電源軌發(fā)生中斷，它還能向下游負(fù)載提供高電流備用電源。因此，當(dāng)外部電源可用時(shí)，該器件將用作單節(jié)鋰離子或 LiFePO4 電池的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統(tǒng)負(fù)載以優(yōu)先權(quán)。然而，如果輸入電源突然降至可調(diào)電源失效輸入 (PFI) 閾值以下，該 IC 將需要充當(dāng)升壓調(diào)節(jié)器，以從備用電池向系統(tǒng)輸出提供幾安培的電流。因此，如果發(fā)生電源故障，該 IC 將需要執(zhí)行電源路徑控制，以提供反向阻斷并在輸 入電源和備用電源之間無(wú)縫切換。這種 IC 的典型應(yīng)用包括車隊(duì)和資產(chǎn)跟蹤、汽車 GPS 數(shù)據(jù)記錄器、汽車遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)備用電源及 USB 供電設(shè)備。圖1顯示了采用 LTC4040 鋰離子電池備用管理器的典型應(yīng)用原理圖。
圖1. 采用LTC4040且使用用戶設(shè)置PFI閾值的備用電源
LTC4040 還有可選的過(guò)壓保護(hù) (OVP) 功能，通過(guò)外部FET保護(hù) IC 免受高于60V 的輸入電壓的影響。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時(shí)系統(tǒng)負(fù)載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開(kāi)開(kāi)關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。LTC4040 的 2.5 A 電池充電器提供 8 種針對(duì)鋰離子電池和 LiFePO4 電池優(yōu)化的可選充電電壓。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源喪失指示器和系統(tǒng)電源喪失指示器。
與電池類似的是超級(jí)電容。然而，超級(jí)電容不支持主電源長(zhǎng)時(shí)間喪失的場(chǎng)合，但它是需要高功率、短時(shí)間備用電源的系統(tǒng)的出色選擇。因此，任何支持此類應(yīng)用的 IC 通常都需要能夠在主電源中斷期間支持2.9 V至5.5 V電源軌。眾所周知，超級(jí)電容的功率密度高于電池，這使其成為短時(shí)間內(nèi)需要高峰值功率備用電源的系統(tǒng)的理想選擇。
舉例來(lái)說(shuō)，ADI 的 LTC4041 使用片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器，提供高效率的降壓超級(jí)電容充電，以及高電流、高效率的升壓備用電源。當(dāng)外部電源可用時(shí)，該器件用作一個(gè)或兩個(gè)超級(jí)電容單元的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統(tǒng)負(fù)載以優(yōu)先權(quán)。當(dāng)輸入電源降至可調(diào)PFI閾值以下時(shí)，LTC4041切換到升壓工作模式，可以從超級(jí)電容向系統(tǒng)負(fù)載提供最高2.5 A的電流。在電源故障期間，該器件的 PowerPath™ 控制功能提供反向阻斷以及從輸入電源到備用電源的無(wú)縫切換。LTC4041的典型應(yīng)用包括穿越“致命故障”(dying gasp) 電源、高電流穿越 3 V 至 5 V UPS、功率計(jì)、工業(yè)報(bào)警器、服務(wù)器和固態(tài)驅(qū)動(dòng)器。圖2顯示了一個(gè)典型 LTC4041 應(yīng)用原理圖。
圖2. LTC4041超級(jí)電容備用電源應(yīng)用原理圖
LTC4041 有一個(gè)可選的OVP功能，使用外部 FET 來(lái)保護(hù) IC 免受高于 60 V的輸入電壓的影響。內(nèi)部超級(jí)電容平衡電路使每個(gè)超級(jí)電容上的電壓保持相等，并將每個(gè)超級(jí)電容的最大電壓限制在預(yù)定值。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時(shí)系統(tǒng)負(fù)載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開(kāi)開(kāi)關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源失效指示器和系統(tǒng)電源失效指示器。
結(jié)論
如果要求系統(tǒng)必須持續(xù)可用，即便主電源失效或短暫中斷也不能停機(jī)，那么提供備用電源永遠(yuǎn)是明智選擇。幸運(yùn)的是，有很多 IC 選擇可供設(shè)計(jì)人員考慮以滿足特定需求，包括 LTC4040/LTC4041 備用管理器。當(dāng)主電源中斷或喪失時(shí)，此類 IC 很容易讓備用電源發(fā)揮作用，無(wú)論其儲(chǔ)存介質(zhì)是超級(jí)電容、電解電容器還是電池。LTC4040 和/或 LTC4041 具有為終端系統(tǒng)提供備用電源的功能，無(wú)論是瞬時(shí)突發(fā)供電還是長(zhǎng)時(shí)間供電。因此，請(qǐng)確保您的系統(tǒng)在需要時(shí)有合適的備用電源可用。明白了吧？
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