您擁有一項 B 計劃嗎?

引言

作為一名科幻小說(shuō)迷，我是 1950 年代末好萊塢低預算 Ed Wood 電影這一流派的 “粉絲”。我最喜歡的其中一部影片是 “Plan 9 from Outer Space”，它描述了外星人來(lái)到地球以阻止人類(lèi)建造一種有可能摧毀整個(gè)宇宙的末日武器。然而，事情并沒(méi)有完全按計劃進(jìn)行，而且外星人被消滅了。顯然，外星人事先并未制定一項 B 計劃以防九號計劃不能如期奏效!

利用該情節主線(xiàn)可以容易地得出一個(gè)推論，以應用于不管其外部工作條件怎樣都必須繼續保持運行狀態(tài)的電子系統。換句話(huà)說(shuō)，其電源中的任何毛刺干擾 (無(wú)論是瞬間、幾秒鐘、乃至數分鐘) 都必須在其設計過(guò)程中予以考慮。應對此類(lèi)情況最常用的方法是使用不間斷電源 (UPS) 以覆蓋這些短暫的故障停機時(shí)間，從而確保高可靠性的系統持續運作。同樣，如今的許多應急和備用系統被用于為建筑系統提供后備電源，以保障安全系統和關(guān)鍵設備能夠在停電 (不管是什么起因) 期間保持其正常工作。另一個(gè)明顯的例子可以很容易地在我們日常生活中廣泛使用的手持式電子設備中找到。由于可靠性是頭等重要的，因此手持式設備專(zhuān)為在正常情況下利用輕量型電源實(shí)現可靠運作而精心設計。但是，設計中再多的謹慎仔細也無(wú)法阻止它們在人類(lèi) (乃至外星人) 的手上將會(huì )遭受的 “粗暴對待”。例如：當工廠(chǎng)的工人意外地掉落條形碼掃描儀而造成其電池甩出時(shí)，會(huì )發(fā)生什么呢? 此類(lèi)事件以電子方式是無(wú)法預知的，而且假如沒(méi)有某種形式的安全網(wǎng) (即某種短期電源保持系統，其可存儲充足的電能以提供備用電源，直到可以更換電池或可把數據存儲在永久性存儲器中為止)，則存儲在易失性存儲器中的重要數據將會(huì )丟失。

這些實(shí)例清楚地表明了對于提供某種替代形式電源的需要，旨在應對主電源發(fā)生供電中斷的情形。換言之，必須制定一項專(zhuān)門(mén)針對主電源未接入 (不管是什么原因) 之場(chǎng)合的備份計劃。我將此稱(chēng)為 “B 計劃”。

存儲媒體

既然已確認要對任何給定的系統提供后備電源，那么問(wèn)題就出現了：用什么作為這種電源的存儲媒體呢? 傳統上，人們一直選擇的是電容器和電池。

我認為：公平地說(shuō)，幾十年來(lái)電容器技術(shù)在功率傳輸和供電應用中起到了重要的作用。例如，基于薄膜和石油的傳統電容器設計可執行多種功能，例如：功率因數校正和電壓平衡。然而，在過(guò)去的 10 年里人們開(kāi)展了大量的研發(fā)工作，從而在電容器設計和能力方面取得了重大的進(jìn)展。這些被稱(chēng)為 “超級電容器”，而且它們非常適用于電池儲能和后備電源系統。超級電容器就其總儲能而言或許是有限的;不過(guò)，它們具有 “高能量密度”。此外，它們還能夠快速釋放高水平的能量并迅速完成再充電。

超級電容器還擁有緊湊、堅固和可靠的特點(diǎn)，并能支持后備系統針對上述短期電源丟失等情況的要求。它們可以容易地并聯(lián)、或串聯(lián)堆疊、或甚至是此二者的組合，以提供終端應用所需的必要電壓和電流。然而，超級電容器并不僅僅是一種電容水平非常高的電容器。與標準的陶瓷、鉭或電解電容器相比，超級電容器可在外形和重量相似的情況下提供較高的能量密度和較高的電容。而且，雖然超級電容器需要一些 “照看和饋電”，但是它們在要求大電流 / 短持續時(shí)間后備電源的數據存儲應用中逐步地增廣乃至取代了電池。

此外，它們還在多種需要大電流突發(fā)脈沖或短暫電池后備供電 (例如：UPS 系統) 的高峰值功率和便攜式應用中日益找到了用武之地。相比于電池，超級電容器能以較小的外形尺寸提供較高峰值功率突發(fā)脈沖，并在較寬的工作溫度范圍內具有較長(cháng)的充電循環(huán)壽命?？赏ㄟ^(guò)降低電容器的 “top-off” 電壓和避免高溫 (>50°C) 以最大限度地延長(cháng)超級電容器壽命。

另一方面，電池雖能存儲許多的能量，但在功率密度和供電方面是有限的。由于電池內部發(fā)生的化學(xué)反應之原因，它們在充電次數上受到了限制。因此，當在很長(cháng)的時(shí)間里提供適中功率量時(shí)它們是最有效率的，因為非?？斓貜钠涑槿《喟才嗟碾娏鲗乐氐叵拗破溆行Чぷ鲏勖?。表 1 概要列出了超級電容器、電容器和電池的優(yōu)缺點(diǎn)。

表 1：超級電容器與電容器和電池的比較

新型后備電源解決方案

既然我們已經(jīng)確定超級電容器、電池和 / 或這兩者的組合可在幾乎任何電子系統中用作后備電源的選項，那么什么是可用的 IC 解決方案呢? 結果是：凌力爾特擁有眾多專(zhuān)為滿(mǎn)足該應用需要而特別設計的 IC。我想特別介紹的三款解決方案是 LTC4040、LTC3643 和 LTC3110。

LTC4040 是一款面向 3.5V 至 5V 電源軌的完整鋰電池后備電源管理系統，這類(lèi)電源軌在主電源出現故障時(shí)必須保持有效。電池提供的能量比超級電容器多得多，因此對于需要后備電源以延長(cháng)工作時(shí)間的應用而言，電池更有優(yōu)勢。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、高效率后備電源。當外部電源可用時(shí)，該器件作為降壓型電池充電器工作，用于單節鋰離子或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 就作為升壓型穩壓器工作，能夠從后備電池向系統輸出提供高達 2.5A 電流。在發(fā)生電源故障時(shí)，該器件的電源通路 (PowerPath™) 控制在輸入電源和后備電源之間提供反向隔離和無(wú)縫切換。LTC4040 的典型應用包括艦隊和資產(chǎn)跟蹤、汽車(chē) GPS 數據記錄儀、車(chē)載多媒體系統、收費系統、安防系統、通信系統、工業(yè)備份和 USB 供電型設備。典型應用電路原理圖請見(jiàn)圖 1。

圖 1：具 4.22V PFI 門(mén)限的 4.5V 后備電源

LTC4040 還包括可選的過(guò)壓保護 (OVP)，以針對高于 60V 的輸入電壓，用一個(gè)外部FET 保護該 IC。其可調輸入電流限制功能允許用電流受限電源工作，同時(shí)優(yōu)先提供系統負載電流而不是電池充電電流。一個(gè)外部斷接開(kāi)關(guān)在備份時(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)針對鋰離子和 LiFePO₄ 電池而優(yōu)化的可選充電電壓。另外，該器件還包括輸入電流監視、輸入功耗指示器和系統功耗指示器。

LTC3643 是一款雙向、高壓升壓型電容器充電器，該器件可自動(dòng)轉換為降壓型穩壓器以提供系統后備電源。專(zhuān)有的單電感器拓撲集成了電源通路 (PowerPath) 功能，可完成兩個(gè)獨立的開(kāi)關(guān)穩壓器工作，從而減小了尺寸、成本和復雜性。LTC3643 以?xún)煞N模式運行：升壓充電模式和降壓后備模式。在充電模式中，此器件從介于 3V 至 17V 的輸入電源以高達 2A 和高達 40V 電壓給一個(gè)電解電容器陣列進(jìn)行高效充電。在后備模式中，當輸入電源電壓降至低于可編程的電源故障輸入 (PFI) 門(mén)限時(shí)，升壓型充電器反向運作以用作一個(gè)同步降壓型穩壓器，從后備電容器供電并保持系統電源軌電壓。在備份時(shí)，電流限值可設置在 2A 至 4A 范圍內，從而使該器件非常適合高能量、持續時(shí)間相對較短的后備電容器系統、電源故障后備系統、固態(tài)硬盤(pán)以及電池組充電應用。簡(jiǎn)化的應用電路原理圖請見(jiàn)圖 2。

圖 2：采用一個(gè)電解電容器提供后備電源的簡(jiǎn)化 LTC3463 原理圖

當給后備電容器充電時(shí)，LTC3643 可使用一個(gè)外部低值檢測電阻器以保持從輸入電源的準確電流限制，同時(shí)排定向系統負載供電的優(yōu)先順序。輸入電流限制可以利用一個(gè) 50mV 門(mén)限的檢測電阻器設置，從而可防止系統電源過(guò)載，同時(shí)盡量地縮短電容器再充電時(shí)間。轉換器以 1MHz 頻率工作，可最大限度地減小外部組件尺寸。穩壓時(shí)的低靜態(tài)電流突發(fā)模式 (Burst Mode^®) 操作最大限度提高了后備電容器的能量利用。通過(guò)向一個(gè)外部 PMOS 開(kāi)關(guān)提供柵極驅動(dòng)信號，LTC3643 在輸入電源提供了理想二極管工作。這實(shí)現了高效率供電，同時(shí)在后備模式時(shí)，在輸入電源和系統負載之間提供徹底的隔離。

LTC3110 是一款雙向、輸入電流可編程的降壓-升壓型超級電容器充電器，該器件具主動(dòng)充電平衡功能，適合單節或兩節串聯(lián)超級電容器。其專(zhuān)有的低噪聲降壓-升壓型拓撲使該器件相當于兩個(gè)單獨的開(kāi)關(guān)穩壓器，從而減小了尺寸和成本，并降低了復雜性。LTC3110 可于后備和充電兩種模式工作。在后備模式中，該器件由超級電容器儲存的能量供電，保持一個(gè) 1.71V 至 5.25V 的系統電壓 (V_SYS)。此外，超級電容器存儲輸入 (V_CAP) 具備實(shí)用的寬工作范圍，可從 5.5V 直到低至 0.1V。這確保實(shí)際儲存的全部超級電容器能量都能得到利用，因此延長(cháng)了后備時(shí)間或減小了存儲電容器尺寸。而在充電模式中，當主電源系統有效時(shí)，LTC3110 可自主地或通過(guò)用戶(hù)命令將功率流動(dòng)改為相反方向，利用穩定的系統電壓給超級電容器充電并做出平衡。降壓-升壓型 PWM (脈沖寬度調制器) 使 V_CAP 高效地充電至高于或低于 V_SYS。另外，該器件還具備充電模式平均輸入電流限制，能夠以 ±2% 的準確度設定至高達 2A，從而防止系統電源過(guò)載，同時(shí)最大限度地縮短電容器再充電時(shí)間。圖 3 示出了 LTC3110 在后備電源應用中的功能。

LTC3110 的主動(dòng)充電平衡功能免除了消耗能量的外部鎮流電阻器的恒定消耗，甚至在電容器失配時(shí)也可確保充電，并減少再充電的頻度?？删幊痰淖畲箅娙萜麟妷赫{節可主動(dòng)地平衡和限制串聯(lián)電容器組中每個(gè)電容器兩端的電壓為編程值的一半，從而確保隨電容器老化并逐漸出現容量失配時(shí)也能可靠地工作。低 R_DS(ON)、低柵極電荷同步開(kāi)關(guān)提供了高效率轉換，以最大限度縮短存儲組件的充電時(shí)間。

圖 3：簡(jiǎn)化的 LTC3110 原理圖示出了其雙向功能

LTC3110 的輸入電流限值和最大電容器電壓可利用電阻器進(jìn)行編程。平均輸入電流在 0.125A 至 2A 設定范圍內得到準確地控制。引腳可選的突發(fā)模式操作提高了輕負載效率，并將待機電流減小至僅為 40μA，以及把停機電流降至低于 1μA。LTC3110 的其他特點(diǎn)包括 1.2MHz 的高開(kāi)關(guān)頻率 (可最大限度地縮小外部組件尺寸)、熱過(guò)載保護、兩個(gè)用于方向控制和充電結束的電壓監控器、以及一個(gè)具有集電極開(kāi)路輸出的通用比較器 (用于和微控制器或微處理器相連接)。

結論

每當您的設計要求一個(gè)系統即使在主電源發(fā)生故障的情況下也始終可用時(shí)，擁有一種后備電源總是個(gè)好主意。幸運的是，無(wú)論存儲媒體是超級電容器、電解電容器、抑或甚至是電池，都有很多能夠提供簡(jiǎn)易后備電源的可用 IC 選項。因此，不要像文章開(kāi)頭說(shuō)的外星人那樣，而是應確保自己手握一項 B 計劃。