應急eCall－召之即來(lái)！

作者 Tony Armstrong 凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)總監

摘要：在汽車(chē)電子系統中，有很多應用需要連續供電，甚至在汽車(chē)停車(chē)后也不例外，這類(lèi)應用需要始終保持接通，以便在需要時(shí)可以通過(guò)外部操作使用基本的控制功能。因而，任何給定系統都需要備份電源，本文介紹了一款面向必須在主電源故障時(shí)保持有效的 3.5V 至5V 電源軌，完整的鋰離子電池備份電源管理系統LTC4040，該系統很高地解決了電源備份問(wèn)題。

引言

　　無(wú)論外部工作條件如何，電子系統都必須持續保持運行。換一種說(shuō)法就是，在系統設計過(guò)程中，系統電源中的任何干擾都必須考慮到，無(wú)論干擾是瞬時(shí)的，還是持續幾秒，甚至幾分鐘。應對這類(lèi)環(huán)境的最常見(jiàn)方法是使用不間斷電源 (UPS)，以防止出現這類(lèi)干擾導致的短暫宕機，從而確保系統以高可靠性連續運行。類(lèi)似地，人們今天使用很多應急和備用系統為建筑系統提供備份電源，以確保無(wú)論由于什么原因導致停電時(shí)，安全系統和關(guān)鍵設備都能夠保持不間斷運行。

　　在我們日常生活中使用并且無(wú)處不在的手持式電子設備中，可以輕而易舉地發(fā)現另一種顯而易見(jiàn)的例子。因為可靠性是至為重要的，所以手持式設備都經(jīng)過(guò)仔細設計，采用輕型電源，以在正常情況下可靠地使用。不過(guò)，無(wú)論多么仔細地設計，都不可能防止這類(lèi)設備在人們使用時(shí)出現意外。例如，工廠(chǎng)中的工人失手掉落了條碼掃描器，結果會(huì )怎么樣? 電池會(huì )掉出來(lái)嗎? 這類(lèi)事件從電子設計上是不可預測的，如果沒(méi)有某種形式的安全保障，存儲在易失性存儲器中的重要數據就會(huì )丟失，所謂安全保障，就是一種短期電源保持系統，該系統存儲充足的能量，以在更換電池或數據存儲進(jìn)永久性存儲器之前提供備用電源。這些例子清楚地表明，需要提供可替換電源，以防主電源中斷影響系統持續運行。

1 汽車(chē)系統中需要連續供電的應用

　　在汽車(chē)電子系統中，有很多應用需要連續供電，甚至在汽車(chē)停車(chē)后也不例外，例如遙控無(wú)鑰匙進(jìn)入、安防系統、個(gè)人信息娛樂(lè )系統，這些系統通常包含導航、GPS 定位和eCall功能。也許很難理解為什么這類(lèi)系統必須保持接通，甚至在汽車(chē)未處于行駛狀態(tài)時(shí)也是如此，不過(guò)出于應急和安防目的，這類(lèi)系統中的GPS 功能必須“始終保持接通”。這種要求很有必要，以便在需要時(shí)可以通過(guò)外部操作使用基本的控制功能。

　　下面以eCall系統作為例子來(lái)解釋一下。eCall系統是一種安全功能，目前在較新型的汽車(chē)中變得越來(lái)越普及，很多制造商已經(jīng)在各個(gè)系列的車(chē)型中推出了該功能。這是一種相當簡(jiǎn)單的技術(shù)：在發(fā)生碰撞后，汽車(chē)的氣囊展開(kāi)時(shí)，eCall系統自動(dòng)聯(lián)系應急服務(wù)機構。該系統用 GPS 功能向有關(guān)當局發(fā)送時(shí)間、車(chē)輛所處地點(diǎn)、車(chē)輛的類(lèi)型、車(chē)輛使用什么燃料等信息，同時(shí)當系統激活后，駕駛員可以使用車(chē)中的麥克風(fēng)直接與呼叫處理人員通話(huà)。

　　eCall系統還提供事故發(fā)生時(shí)車(chē)輛行駛方向的信息，從而在車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，有關(guān)當局能夠得知需要從高速公路的哪一側向事發(fā)地行駛。所有這一切使救護車(chē)、警察和消防人員能夠獲得盡可能多的信息，并能夠在事故發(fā)生后盡快趕過(guò)來(lái)。個(gè)人也可以通過(guò)一個(gè)按鈕來(lái)激活eCall系統，因此如果駕駛員生病了 (或者在車(chē)輛碰撞中受傷了，而氣囊并未展開(kāi))，仍然可以非常方便地請求幫助。

2 存儲介質(zhì)

　　承認任何給定系統都需要備份電源后，問(wèn)題就來(lái)了：可以使用什么樣的存儲介質(zhì)來(lái)提供這種備份電源? 傳統的選擇是電容器和電池。

　　幾十年來(lái)電容器技術(shù)一直在電力輸送應用中發(fā)揮著(zhù)重要作用。例如，傳統的薄膜和油浸電容器設計提供各種功能，諸如功率因數校正和電壓平衡等。不過(guò)，在過(guò)去 10 年中，人們進(jìn)行了大量研發(fā)，已經(jīng)在電容器設計和功能方面取得了巨大進(jìn)步。這些新型電容器稱(chēng)為超級電容器，非常適合用在電池能量存儲和備份電源系統中。就存儲的總能量而言，超級電容器也許是受限的，但是這類(lèi)電容器是“能量密集”型的。此外，超級電容器能夠快速大量地釋放能量，并快速再充電。

　　超級電容器還具備緊湊、堅固和可靠的特點(diǎn)，可針對前述已經(jīng)提到的短暫電源缺失事件滿(mǎn)足備份系統的要求。超級電容器可以方便地并聯(lián)，或串聯(lián)疊置，甚至串并聯(lián)組合，以滿(mǎn)足最終應用必需的電壓和電流需求。不過(guò)，超級電容器不僅是一種具很大電容的電容器。與標準陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比，超級電容器以類(lèi)似的外形尺寸和重量提供更大的能量密度和電容。而且，盡管超級電容器需要在某種程度上“細心對待和饋電”，但是它們在需要大電流/短持續時(shí)間備份電源的數據存儲應用中，增強甚至取代了電池。

　　此外，超級電容器也用在各種需要諸如 UPS 等大電流突發(fā)或瞬時(shí)電池備份的高峰值功率和便攜式應用中。與電池相比，超級電容器外形尺寸更小，可提供峰值功率更高的突發(fā)，在更寬的工作溫度范圍內提供更長(cháng)的充電周期壽命。通過(guò)降低電容器的 Top-off 電壓并避免高溫 (>50℃)，可以最大限度延長(cháng)超級電容器的壽命。

　　另一方面，電池可以存儲大量能量，但是功率密度和功率提供能力受限。由于在電池內部發(fā)生化學(xué)反應，所以電池循環(huán)壽命有限。因此在長(cháng)時(shí)間內提供適量功率時(shí)，電池是最有效的，因為從電池吸取很多安培的電流會(huì )非?？焖偾覈乐氐叵拗破淇捎霉ぷ鲏勖?。表 1 總結了超級電容器、電容器和電池之間相比較的優(yōu)缺點(diǎn)。

3 新的備份電源解決方案

　　既然我們已經(jīng)樹(shù)立了這樣的觀(guān)念：超級電容器、電池和/或二者的組合可在幾乎任何電子系統中用作備份電源，那么哪些是可用的 IC 解決方案呢? 答案是，凌力爾特擁有廣泛的、專(zhuān)為滿(mǎn)足這類(lèi)應用需求而設計的 IC。

　　LTC4040 是一款完整的鋰離子電池備份電源管理系統，面向必須在主電源故障時(shí)保持有效的 3.5V 至 5V 電源軌。電池比超級電容器提供的能量多得多，從而非常適合需要備份電源以延長(cháng)工作時(shí)間的應用。LTC4040 用一個(gè)內置雙向同步轉換器提供高效率電池充電以及大電流、高效率備份電源。當外部電源可用時(shí)，該器件作為降壓型電池充電器運行，面向單節鋰離子或LiFePO4電池，同時(shí)優(yōu)先為系統負載供電。當輸入電源降至低于可調電源故障輸入 (PFI) 門(mén)限時(shí)，LTC4040 作為升壓型穩壓器運行，能夠從備份電池向系統輸出提供高達 2.5A 電流。在電源發(fā)生故障時(shí)，該器件的PowerPath?控制提供反向隔離，并在輸入電源與備份電源之間實(shí)現無(wú)縫切換。LTC4040 的典型應用包括車(chē)隊和資產(chǎn)跟蹤、汽車(chē) GPS 數據記錄儀、汽車(chē)遠程信息處理系統、收費系統、安防系統、通信系統、工業(yè)備份電源以及 USB 供電設備。圖1所示為典型應用原理圖。

　　LTC4040 還提供可選過(guò)壓保護 (OVP) 功能，通過(guò)一個(gè)外部 FET 針對高于 60V 的輸入電壓保護該 IC。其可調輸入電流限制功能允許用電流受限的電源工作，同時(shí)優(yōu)先于電池充電電流提供系統負載電流。一個(gè)外部斷接開(kāi)關(guān)在備份電源工作時(shí)隔離主輸入電源和系統。LTC4040 的 2.5A 電池充電器提供 8 個(gè)為鋰離子和LiFePO4電池而優(yōu)化的可選充電電壓。該器件還提供輸入電流監視功能、一個(gè)輸入電源缺失指示器和一個(gè)系統電源缺失指示器。

4 結論

　　無(wú)論何時(shí)，只要有即使主電源發(fā)生故障，系統也要始終可用的設計要求，那么使用備份電源就總是一個(gè)好主意。幸運的是，有很多 IC 選擇，就像 LTC4040 一樣，無(wú)論存儲介質(zhì)是超級電容器、電解質(zhì)電容器還是電池，都可以簡(jiǎn)便地用來(lái)實(shí)現備份電源。顯然，在汽車(chē)環(huán)境中的eCall系統情況下，如果發(fā)生事故、主電源斷接，那么啟用備份電源可以挽救生命。因此，一定要確保為你的eCall用戶(hù)提供一個(gè)良好的備份電源計劃。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第4期第78頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。