在(zai)嵌(qian)入式係統(tong)依(yi)賴(lai)持續供(gong)電的電(dian)信、工(gong)業和(he)汽車(che)應(ying)用(yong)中，數據(ju)丟失是引(yin)人(ren)關(guan)切(qie)的(de)。供電的突(tu)然(ran)中(zhong)斷(duan)會(hui)導致(zhi)正在對(dui)硬盤驅(qu)動器(qi)和閃存器進行(xing)讀(du)寫操作(zuo)時的數(shu)據受損。通常(chang)，嵌入(ru)式係統僅(jin)需 10ms 至(zhi)50ms的時(shi)間對易(yi)失性數據進行備份(fen)以防止發生丟失(shi)。盡(jin)管(guan)如(ru)此，不可(ke)靠(kao)的電源使之難(nan)以實(shi)現(xian)。長的電源(yuan)線、電量(liang)耗(hao)盡的電池、未調(diao)整(zheng)的AC 適(shi)配器、拋(pao)載和大(da)功(gong)率(lv)電動(dong)機的開(kai)關操作都(dou)會導致電源的不(bu)可靠。
假如沒(mei)有某種形式(shi)的安(an)全網 (即某種(zhong)短(duan)期(qi)電源保持係統，其可存(cun)儲充足的電能(neng)以提供備(bei)用電源，直到可以更(geng)換(huan)電池(chi)或(huo)可把數據存儲(chu)在永久(jiu)性存儲器中為止(zhi))，則電源的不可靠會導(dao)致存儲在易失性存儲器中的重要(yao)數據必定丟失。而(er)應對此類(lei)情(qing)況最常用的方(fang)法是使(shi)用不間(jian)斷電源以覆(fu)蓋這些短暫的故障停機(ji)時間，從(cong)而確保高可靠性(xing)的係(xi)統持續(xu)運(yun)作，或者提(ti)供某種替(ti)代(dai)形式電源，以針對主(zhu)電源未接入 (主電源發生供電中斷)場合(he)的備份計劃。
電源儲存的基(ji)本介質(zhi)——電容&電池特(te)性分(fen)析
既然嵌入式係統需(xu)要備用電源，那麽(mo)該用什麽作為(wei)這(zhe)種電源的能量儲存介質呢(ne)? 傳(chuan)統上(shang)，人們一直(zhi)選擇(ze)的是電容和電池
電容(rong)技(ji)術在電力傳輸(shu)和配(pei)送應用中發揮(hui)作用已(yi)有(you)數十(shi)年(nian)之久。而隨著近十年的研究(jiu)和開發(fa)，電容的設(she)計(ji)和容量有了(le)更加(jia)顯(xian)著的進步。這些(xie)新(xin)型(xing)電容被稱為超(chao)級(ji)電容，非(fei)常適合用於(yu)電池儲能和備用電源係統。其能量密(mi)度非常高，同時具有快速(su)釋放高能量並(bing)快速充(chong)電的能力。與電池相比，超級電容以(yi)更小的尺寸提供更高的突發峰值(zhi)功率，並且(qie)充電循環次(ci)數更多(duo)，工作溫度範圍更寬。而電池提供的能量比超級電容器多得(de)多，因(yin)此(ci)對於需要後備電源以延(yan)長(zhang)工作時間的應用而言，電池則更有優勢(shi)。
表1總(zong)結(jie)了超級電容、普(pu)通電容和電池的優缺(que)點。
因此，基於使用場景的不同，超級電容、電池或二(er)者(zhe)的組(zu)合幾乎可以用作所有電子(zi)係統的備用電源。儲存介質選定(ding)了，該怎麽用在具(ju)體(ti)係統中呢？其(qi)電路設計有啥差異(yi)？ADI公司就為備用電源係統推(tui)出了眾多專(zhuan)為滿足該應用需求(qiu)而特別(bie)設計的IC，本文(wen)給出了該(gai)公司針(zhen)對電池及超級電容及(ji)電解電容的備用電源管理(li)電路，對比(bi)分析可以為相關應用找(zhao)對最(zui)佳的備用電源方案。
基於電池的電源保持(chi)解決(jue)方案
LTC4040是一款(kuan)麵向 3.5V 至 5V 電源軌(gui)的完整鋰電池後備電源管理係統。其用一個內置雙(shuang)向(xiang)同步轉換器提供高(gao)效率電池充電以及大電流(liu)、高效率後備電源。當外部(bu)電源可用時，該器件(jian)作為降(jiang)壓型電池充電器工作，用於單(dan)節鋰離子或LiFePO4電池，同(tong)時優(you)先為係統負(fu)載(zai)供電。當(dang)輸入電源降至低(di)於可調電源故障輸入(PFI)門(men)限(xian)時，LTC4040就(jiu)作為升壓(ya)型穩(wen)壓器工作，能夠(gou)從後(hou)備電池向係統輸出(chu)提供高達(da) 2.5A 電流。
在發生電源故(gu)障時，該器件的電源通(tong)路(lu) (PowerPath) 控(kong)製在輸入電源和後備電源之(zhi)間提供反(fan)向隔離和無縫切換。LTC4040 的典型應用包(bao)括汽(qi)車 GPS 數據記錄儀、車載多媒體係統、收費(fei)係統、安防(fang)係統、通信係統、工業(ye)備份和USB供電型設備。
具4.22V PFI 門限的 4.5V後備電源
基於超級電容的電源保(bao)持解決方案
LTC3110 是(shi)一(yi)款雙向、輸入電流可編(bian)程的降壓-升(sheng)壓型超級電容器充電器，該器件具主動充電平(ping)衡(heng)功能，適合單節(jie)或兩(liang)節串聯超級電容器。其專有的低噪聲降壓-升壓型拓(tuo)撲(pu)使該器件相(xiang)當於兩個單獨(du)的開關穩壓器，從而減小了尺寸和成(cheng)本，並降低了複雜性。LTC3110 可於後備和充電兩種模式工作。
在後備模式中，該器件由超級電容器儲存的能量供電，保持一個 1.71V 至 5.25V 的係統電壓 (VSYS)。而在充電模式中，當主電源係統有效(xiao)時，LTC3110 可自主地或通過用戶命令將功率流動改(gai)為相反方向，利用穩定的係統電壓給超級電容器充電並做出平衡。另外，該器件還(hai)具備充電模(mo)式平均(jun)輸入電流限製，能夠以 ±2% 的準確(que)度設定至高達 2A，從而防止係統電源過(guo)載，同時最大限度地(di)縮(suo)短電容器再充電時間。
基於超級電容器的 LTC3110 備份解(jie)決方案(an) (VIN 高達 5.25V)
基於電解電容的電源保持解決方案
下圖(tu)中的解決方案則以 LTC3643 雙向後備電源為中心(xin)。當輸入電壓存在時，LTC3643 在升壓模式中給(gei)存儲電容器 CSTORAGE 充電 (至高達 40V)。當輸入電壓被中斷時，LTC3643 在降壓模式中把(ba)存儲電容器的電量釋放(fang)至負載，從而將負載上的標(biao)稱(cheng)電壓 (VSYS) 保持在 3V 至 17V 的範圍(wei)內(nei)。
後備存儲電源軌相對高的電壓增加了該解決方案的儲能 (E = CV2/2)，並使得可把電解電容器用作一種後備儲能組件。電解電容器便宜且廣泛(fan)地使用，因而顯著地降低了後備解決方案的成本。LTC3643 的另(ling)一個優點(dian)是其能夠支持 12V 係統，在許(xu)多汽車和工業應用中，12V 是默認(ren)的標準(zhun)電壓軌。
LTC3643 高電壓備份解決方案；VIN 高達 17V
如圖所示(shi)，LTM 4607 μModule降壓-升壓型轉(zhuan)換器充當前端穩壓器，從一個 5V 至 36V 輸入 (例如：汽車電池) 產生(sheng) 12V (高達 5A電流) 輸出。隻(zhi)要輸入電壓維持在規(gui)定的範圍之內，該降壓-升壓型穩壓器就可保持一個穩定的 12V 輸出，從而使得 VSYS 能安全度過汽車冷(leng)車發動和拋載等欠壓和過壓情況(kuang)。當輸入電壓被中斷或脫離了該範(fan)圍時，基於 LTC3643 的後備電源解決方案將保持 VSYS 係統電壓以提供短期的數據備份。
“輕裝(zhuang)上陣”的電源保持解決方案
而對於那(na)些要求相對較短保持時間且對成本敏感(gan)的項(xiang)目(mu)，下圖中的解決方案可通過縮短保持時間來(lai)換取最低的組件成本(ben)。該方案以一般情況下充當降壓型轉換器的 LTC3649 為中心。但是在這裏，LTC3649 在輸入電壓斷接(jie)時轉而執(zhi)行升壓轉換操作。LTC3649 通過對其自(zi)己的輸出電容器進(jin)行放電以在關鍵負載的端(duan)子上保持編程(cheng)電壓。
LTC3649 “較廉價(jia)的” 備份解決方案，VIN 高達 60V
LTC3649是一款具有集成功率MOSFET的單芯(xin)片降壓調節器。它具有高效率和低靜態電流，這在許多電池供電係統中非常重(zhong)要。它還具有很高的通用性、可編程頻(pin)率、高達60 V的寬(kuan) VIN 範圍以及低至接地的輸出電壓範圍。它簡化了汽車和工業用品(pin)的設計，特別是考慮(lv)到(dao)其作為保持電路的潛(qian)質時。
結論
每(mei)當係統要求即(ji)使在主電源發生故障(zhang)的情況下(xia)也(ye)始終可用時，擁(yong)有後備電源總是個(ge)好主意。而無(wu)論(lun)儲存介質是超級電容、電解電容、抑或是電池的情況下，ADI都能夠提供簡(jian)易後備電源的可用 IC選(xuan)項。隨(sui)著(zhu)電容及電池技術的進一步發展(zhan)，電源IC性能的繼(ji)續優化也將為後備電源增(zeng)加更多的市(shi)場和應用潛能。
