需要備用電源？保持電源連續性

在當今持續運轉的世界里，無(wú)論外部環(huán)境或運行條件如何，許多電子系統持續運行是常見(jiàn)現象。換句話(huà)說(shuō)，系統電源的任何故障，無(wú)論是瞬時(shí)、以秒計還是以分鐘計的故障，都必須在設計過(guò)程中加以考慮。處理此類(lèi)情況的最常見(jiàn)的方式是使用不間斷電源(UPS)來(lái)彌補這些短暫的停機時(shí)間，從而確保系統以高可靠性連續運行。同樣，當今有許多應急和備用系統用來(lái)為樓宇系統提供備用電源，以保證安保系統和關(guān)鍵設備能夠在斷電期間（無(wú)論根本原因是什么）保持運行。

我們日常生活中使用的無(wú)處不在的手持電子設備中可以很容易找到一些明顯的例子。由于可靠性至關(guān)重要，手持設備采用輕便電源精心設計，可在一般條件下可靠使用。但是，再精心的設計也無(wú)法防止人們的誤操作。例如，手持便攜式掃描設備從工廠(chǎng)工人手中掉下，導致其電池摔出來(lái)。這些事件在電子學(xué)上是不可預測的，如果沒(méi)有某種形式的安全網(wǎng)——即某種短期電力保持系統，其中儲存有足夠的能量來(lái)提供備用電源，直到電池被更換或數據存儲到永久性存儲器中——存儲在易失性存儲器中的重要數據將會(huì )丟失。

此例清楚地說(shuō)明了電子系統需要其他形式的電源，以便在主電源中斷時(shí)有電可用。

在汽車(chē)電子系統中，有許多應用需要用到連續電源，哪怕汽車(chē)處于駐車(chē)狀態(tài)（發(fā)動(dòng)機未運轉），例如遙控無(wú)鑰匙進(jìn)入、安全、甚至個(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。很容易理解為什么這些系統即使在汽車(chē)不行駛時(shí)也必須保持開(kāi)啟，因為這些系統的GPS必須始終在線(xiàn)以用于緊急和安全目的。這是必然的要求，以便在必要時(shí)可由外部操作員激活基本控制。

考慮eCall系統（以美國通用汽車(chē)公司的OnStar?系統為例），其在全球的新車(chē)上越來(lái)越普遍，許多制造商的各系車(chē)型上均已裝備這種系統。事實(shí)上，歐洲強制性要求2018年3月31日之后出售的所有新車(chē)和輕型卡車(chē)都必須裝備此類(lèi)系統。這是一項相當簡(jiǎn)單的技術(shù)：當發(fā)生碰撞，汽車(chē)安全氣囊打開(kāi)時(shí)，eCall系統自動(dòng)聯(lián)絡(luò )應急服務(wù)。它通過(guò)GPS將時(shí)間、位置、汽車(chē)類(lèi)型和所用燃油種類(lèi)傳遞給有關(guān)機構。同時(shí)在該系統激活后，您可以利用汽車(chē)中的麥克風(fēng)與呼叫處理人員直接通話(huà)。eCall系統可以告知事故發(fā)生時(shí)您沿哪個(gè)方向行駛，以便有關(guān)機構知道需要從道路哪一邊進(jìn)入事故現場(chǎng)。所有這一切讓救護車(chē)、警察和消防員能夠在事發(fā)后盡快到達現場(chǎng)，并掌握盡可能多的信息。個(gè)人通過(guò)按下按鈕也可以激活eCall，因此如果有人生?。ɑ蛟谂鲎仓惺軅?，但安全氣囊未打開(kāi)），仍然可以輕松呼叫幫助。

儲存介質(zhì)

了解眾多系統需要備用電源后，隨之而來(lái)的問(wèn)題是：此類(lèi)備用電源的儲存介質(zhì)有哪些選擇？傳統選擇是電容和電池。

可以說(shuō)，電容技術(shù)在電力傳輸和配送應用中發(fā)揮重要作用已有數十年之久。例如，傳統的薄膜和油基電容的設計能實(shí)現很多種功能，包括功率因數校正和電壓平衡等。但是，過(guò)去十年中進(jìn)行了大量的研究和開(kāi)發(fā)，使得電容設計和容量有了顯著(zhù)進(jìn)步。這些先進(jìn)的電容被稱(chēng)為超級電容，非常適合用于電池儲能和備用電源系統。超級電容的總儲能量有限，但其能量密度非常高。此外，超級電容具有快速釋放高能量并快速充電的能力。

超級電容不僅結構緊湊，而且穩健可靠，可滿(mǎn)足備用電源系統的要求，應對上面所說(shuō)的短期電源喪失事件。另外，超級電容很容易并聯(lián)或串聯(lián)堆疊，甚至采取串并聯(lián)組合，為最終應用提供必要的電壓和電流。然而，超級電容不僅僅是具有非常大容值的電容器。與標準陶瓷電容、鉭電容或電解電容相比，同樣尺寸和重量的超級電容具有更高的能量密度和更大的電容。雖然超級電容需要特殊維護，但在需要高電流/短時(shí)備用電源的數據存儲應用中，其超越甚至可以替換電池。

此外，超級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用中，例如UPS系統。與電池相比，超級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)次數更多，工作溫度范圍更寬。通過(guò)降低超級電容的上截止電壓并避免高溫(> 50°C)，可以最大限度地延長(cháng)超級電容的使用壽命。

Batteries, on the other hand, can store a lot of energy, but are limited in terms of power density and delivery.

另一方面，電池可以?xún)Υ娲罅磕芰?，但在功率密度和輸送方面有局限性。電池內部?huì )發(fā)生化學(xué)反應，故其充電循環(huán)次數很有限。因此，如果要在較長(cháng)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 )嚴重縮短其有效使用壽命。表1總結了超級電容、普通電容和電池的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 超級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

現在我們已經(jīng)明確，超級電容、電池和/或二者的組合可以用作幾乎所有電子系統的備用電源，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，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電容要多很多，因此需要備用電源長(cháng)時(shí)間供電的應用使用電池更合適。相應地，任何IC解決方案都會(huì )需要片內雙向同步轉換器，以便對備用電池高效率充電；如果主電源軌發(fā)生中斷，它還能向下游負載提供高電流備用電源。因此，當外部電源可用時(shí)，該器件將用作單節鋰離子或LiFePO4電池的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統負載以?xún)?yōu)先權。然而，如果輸入電源突然降至可調電源失效輸入(PFI)閾值以下，該IC將需要充當升壓調節器，以從備用電池向系統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的典型應用包括車(chē)隊和資產(chǎn)跟蹤、汽車(chē)GPS數據記錄器、汽車(chē)遠程信息處理系統、收費系統、安全系統、通信系統、工業(yè)備用電源及USB供電設備。圖1顯示了采用ADI公司Power by Linear? LTC4040鋰離子電池備用管理器的典型應用原理圖。

圖1 采用LTC4040且使用用戶(hù)設置PFI閾值的備用電源

LTC4040還有可選的過(guò)壓保護(OVP)功能，通過(guò)外部FET保護IC免受高于60 V的輸入電壓的影響。其可調輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時(shí)系統負載電流優(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隔離開(kāi)來(lái)。LTC4040的2.5 A電池充電器提供8種針對鋰離子電池和LiFePO4電池優(yōu)化的可選充電電壓。該器件還具有輸入電流監控功能、輸入電源喪失指示器和系統電源喪失指示器。

與電池類(lèi)似的是超級電容。然而，超級電容不支持主電源長(cháng)時(shí)間喪失的場(chǎng)合，但它是需要高功率、短時(shí)間備用電源的系統的出色選擇。因此，任何支持此類(lèi)應用的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，超級電容的功率密度高于電池，這使其成為短時(shí)間內需要高峰值功率備用電源的系統的理想選擇。舉例來(lái)說(shuō)，ADI公司Power by Linear產(chǎn)品線(xiàn)中的LTC4041使用片內雙向同步轉換器，提供高效率的降壓超級電容充電，以及高電流、高效率的升壓備用電源。當外部電源可用時(shí)，該器件用作一個(gè)或兩個(gè)超級電容單元的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統負載以?xún)?yōu)先權。當輸入電源降至可調PFI閾值以下時(shí)，LTC4041切換到升壓工作模式，可以從超級電容向系統負載提供最高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、工業(yè)報警器、服務(wù)器和固態(tài)驅動(dòng)器。圖2顯示了一個(gè)典型LTC4041應用原理圖。

圖2 LTC4041超級電容備用電源應用原理圖

LTC4041有一個(gè)可選的OVP功能，使用外部FET來(lái)保護IC免受高于60 V的輸入電壓的影響。內部超級電容平衡電路使每個(gè)超級電容上的電壓保持相等，并將每個(gè)超級電容的最大電壓限制在預定值。其可調輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時(shí)系統負載電流優(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隔離開(kāi)來(lái)。該器件還具有輸入電流監控功能、輸入電源失效指示器和系統電源失效指示器。

結論

如果要求系統必須持續可用，即便主電源失效或短暫中斷也不能停機，那么提供備用電源永遠是明智選擇。幸運的是，有很多IC選擇可供設計人員考慮以滿(mǎn)足特定需求，包括LTC4040/LTC4041備用管理器。當主電源中斷或喪失時(shí)，此類(lèi)IC很容易讓備用電源發(fā)揮作用，無(wú)論其儲存介質(zhì)是超級電容、電解電容器還是電池。LTC4040和/或LTC4041具有為終端系統提供備用電源的功能，無(wú)論是瞬時(shí)突發(fā)供電還是長(cháng)時(shí)間供電。因此，請確保您的系統在需要時(shí)有合適的備用電源可用。明白了吧？

作者簡(jiǎn)介

Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear產(chǎn)品部門(mén)的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監。他負責電源轉換和管理產(chǎn)品從上市到停產(chǎn)的所有事務(wù)。加入ADI之前，Tony在Linear Technology（現為ADI公司一部分）、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel擔任過(guò)營(yíng)銷(xiāo)、銷(xiāo)售和運營(yíng)方面的不同職位。他畢業(yè)于英格蘭曼徹斯特大學(xué)，獲得應用數學(xué)（榮譽(yù)）學(xué)士學(xué)位。

Steve Knoth是ADI公司Power by Linear部門(mén)的高級產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師。他負責所有電源管理集成電路(PMIC)產(chǎn)品、低壓差穩壓器(LDO)、電池充電器、電荷泵、基于電荷泵的發(fā)光二極管驅動(dòng)器、超級電容器充電器、低壓?jiǎn)纹_(kāi)關(guān)穩壓器和理想二極管器件。Steve從1990年起在Micro Power Systems、ADI公司和Micrel Semiconductor擔任過(guò)不同營(yíng)銷(xiāo)和產(chǎn)品工程職位，之后于2004年加入Linear Technology（現為ADI公司一部分）。他于1988年獲得圣何塞州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，并于1995年獲得該大學(xué)物理學(xué)碩士學(xué)位。2000年，Steve還獲得了鳳凰城大學(xué)技術(shù)管理碩士學(xué)位(MBA)。除了與孩子們共度美好時(shí)光之外，Steve還喜歡玩彈球/街機游戲或肌肉車(chē)，以及購買(mǎi)、銷(xiāo)售、收藏古董玩具和電影/體育/汽車(chē)紀念品。