在(zai)嵌(qian)入式係統依(yi)賴(lai)持續供電的(de)電(dian)信、工業(ye)和汽車(che)應(ying)用(yong)中，數(shu)據(ju)丟(diu)失是引(yin)人(ren)關(guan)切(qie)的。供電的突(tu)然中(zhong)斷會導(dao)致正(zheng)在對(dui)硬盤驅動器和(he)閃(shan)存(cun)器進(jin)行(xing)讀(du)寫(xie)操作時(shi)的數據受(shou)損。通常(chang)，嵌入式係(xi)統僅需(xu) 10ms 至50ms的時間對易失(shi)性數據進行備(bei)份以防止(zhi)發生(sheng)丟失。盡管(guan)如(ru)此(ci)，不可(ke)靠的電源使之(zhi)難以實(shi)現(xian)。長(zhang)的電源(yuan)線(xian)、電量耗盡(jin)的電池(chi)、未調整(zheng)的AC 適配(pei)器、拋(pao)載(zai)和大功(gong)率電動機的開(kai)關操作都會導致電源的不可靠(kao)。
假如沒(mei)有某(mou)種(zhong)形式(shi)的安全網 (即某種短期電源保持(chi)係統，其可存儲充(chong)足(zu)的電能以提(ti)供(gong)備用電源，直到(dao)可以更(geng)換(huan)電池或(huo)可把數據存儲在永(yong)久性存儲器(qi)中為(wei)止)，則電源的不可靠會(hui)導致存儲在易失性(xing)存儲(chu)器中的重要(yao)數據必定(ding)丟失。而應對此類(lei)情況(kuang)最(zui)常用的方法是(shi)使(shi)用不間斷電源以覆蓋這些(xie)短暫(zan)的故(gu)障停(ting)機時間，從而確保高可靠性的係統(tong)持續運作，或者(zhe)提供某種替(ti)代形式電源，以針對主(zhu)電源未(wei)接入 (主電源發(fa)生供電中斷(duan))場合(he)的備份計劃。
電源儲存的基本(ben)介(jie)質——電容&電池特性分(fen)析(xi)
既(ji)然嵌入(ru)式係統需要備用電源，那麽該(gai)用什麽(mo)作為這種電源的能(neng)量儲存介質(zhi)呢(ne)? 傳(chuan)統上，人們(men)一(yi)直選擇的是電容(rong)和電池
電容技(ji)術在電力傳輸(shu)和配送應用中發揮(hui)作用已(yi)有(you)數十年(nian)之久。而(er)隨(sui)著近(jin)十年的研究和開發，電容的設計和容量有了(le)更加顯著(zhu)的進步。這(zhe)些新型(xing)電容被稱為超級(ji)電容，非(fei)常適合用於(yu)電池儲能和備用電源係統。其能量密度非常高，同時具(ju)有快速釋放高能量並快(kuai)速(su)充電的能力。與電池相比(bi)，超(chao)級電容以(yi)更小(xiao)的尺寸提供更高的突發峰值(zhi)功率，並且(qie)充電循環次數更多，工作(zuo)溫度(du)範(fan)圍(wei)更寬(kuan)。而電池提供的能量比超級電容器多(duo)得多，因此對於需要後(hou)備電源以延(yan)長工(gong)作時間的應用而言(yan)，電池則(ze)更有優(you)勢。
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(ji)於使用場景(jing)的不(bu)同(tong)，超級電容、電池或二(er)者的組(zu)合幾乎可以用作所有電子係統的備用電源。儲存介質選定了，該怎(zen)麽用在具體(ti)係統中呢？其電路設計(ji)有啥差異？ADI公(gong)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)而特別設(she)計的IC，本文給(gei)出(chu)了該公司針對電池及(ji)超級電容及電解電容的備用電源管理(li)電路，對比分析可以為相(xiang)關應用找對最佳的備用電源方(fang)案。
基於電池的電源保(bao)持解決方案
LTC4040是一款麵(mian)向 3.5V 至 5V 電源軌的完(wan)整鋰(li)電池後備電源管理係統。其(qi)用一個內置雙向同步(bu)轉(zhuan)換器提供高(gao)效(xiao)率電池充電以及大電流(liu)、高效率(lv)後備電源。當(dang)外(wai)部電源可用時，該器件作為降(jiang)壓型電池充電器工作，用於單(dan)節鋰離(li)子或LiFePO4電池，同時優先為係統負(fu)載供電。當輸入電源降至低(di)於可調電源故障(zhang)輸入(PFI)門(men)限(xian)時，LTC4040就(jiu)作為升壓型穩壓器工作，能夠從後備電池向(xiang)係統輸出提供高達(da) 2.5A 電流。
在發生電源故障時，該器件的電源通(tong)路 (PowerPath) 控製在輸入電源和後備電源之間(jian)提供反向隔(ge)離和無(wu)縫(feng)切換。LTC4040 的典(dian)型應用包括(kuo)汽(qi)車 GPS 數據記錄儀(yi)、車載多媒體係統、收費(fei)係統、安(an)防(fang)係統、通信係統、工業備份(fen)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持解(jie)決(jue)方案
LTC3110 是一款雙(shuang)向、輸入電流可編程的降壓(ya)-升(sheng)壓型超級電容器充電器，該器件(jian)具主動(dong)充電平(ping)衡功能，適(shi)合單節(jie)或兩(liang)節串聯(lian)超級電容器。其專有的低噪(zao)聲(sheng)降壓-升壓型拓(tuo)撲(pu)使該器件相當於兩個(ge)單獨(du)的開關穩(wen)壓器，從而減小了尺(chi)寸(cun)和成本，並(bing)降低了複雜(za)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(liang)供電，保持一個 1.71V 至 5.25V 的係統電壓 (VSYS)。而在充電模(mo)式中，當主電源係統有效時，LTC3110 可自主地或通過(guo)用戶命令將功率流動改為相反方向，利(li)用穩定的係統電壓給超級電容器充電並做(zuo)出平衡(heng)。另(ling)外，該器件還具備充電模式平均(jun)輸入電流限製，能夠以 ±2% 的準確(que)度設定至(zhi)高達 2A，從(cong)而防止係統電源過載，同時最大(da)限度地縮(suo)短電容器再(zai)充電時間。
基於超級電容器的 LTC3110 備份解決方案(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。當輸入電壓存在時，LTC3643 在升壓模式中給存儲電容器 CSTORAGE 充電 (至高達 40V)。當輸入電壓被(bei)中斷時，LTC3643 在降壓模式中把存儲電容器的電量釋放至負載，從而將(jiang)負載上的標(biao)稱電壓 (VSYS) 保持在 3V 至 17V 的範圍內。
後備存儲電源軌(gui)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(bian)宜且廣泛地使用，因(yin)而顯(xian)著地(di)降低了後備解決方案的成(cheng)本。LTC3643 的另一個優點是其能夠支(zhi)持 12V 係統，在許多汽車和工業應用中，12V 是默(mo)認的標準(zhun)電壓軌。
LTC3643 高電壓備份解決方案；VIN 高達 17V
如圖所(suo)示(shi)，LTM 4607 μModule降壓-升壓型轉換器充當前端(duan)穩壓器，從一個 5V 至 36V 輸入 (例如：汽車電池) 產(chan)生 12V (高達 5A電流) 輸出。隻(zhi)要輸入電壓維(wei)持在規(gui)定的範圍之內(nei)，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 能安全度過汽車冷車發動和拋載等(deng)欠(qian)壓和過壓情(qing)況。當輸入電壓被中斷或脫(tuo)離了該範圍時，基於 LTC3643 的後備電源解決方案將保持 VSYS 係統電壓以提供短(duan)期(qi)的數據備份。
“輕裝(zhuang)上(shang)陣(zhen)”的電源保持解決方案
而對於那些要求相對較短保持時間且對成本敏(min)感的項(xiang)目，下(xia)圖中的解決方案可通過縮短保持時間來(lai)換取(qu)最低的組件成本。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(li)，LTC3649 在輸入電壓斷接(jie)時轉而執(zhi)行升壓轉換操(cao)作。LTC3649 通過對其自(zi)己的輸出電容器進行放電以在關鍵(jian)負載的端子(zi)上保持編程電壓。
LTC3649 “較廉價(jia)的” 備份解決方案，VIN 高達 60V
LTC3649是一款(kuan)具有集(ji)成功率MOSFET的單芯片(pian)降壓調(diao)節器。它(ta)具有高效率和低靜態電流，這在許(xu)多電池供電係統中非常重要。它還(hai)具有很(hen)高的通用性、可編(bian)程頻率、高達60 V的寬 VIN 範圍以及低至接地的輸出電壓範圍。它簡(jian)化(hua)了汽車和工業用品的設計，特(te)別(bie)是考(kao)慮(lv)到其作為保持電路的潛(qian)質時。
結論(lun)
每當係統要求即使在主電源發生故障的情況下也(ye)始(shi)終可用時，擁(yong)有後備電源總是個好主意。而無論儲存介質是超級電容、電解電容、抑(yi)或是電池的情況下，ADI都(dou)能夠提供簡易(yi)後備電源的可用 IC選(xuan)項。隨著電容及電池技術(shu)的進一步發展，電源IC性能的繼(ji)續優化也將為後備電源增加(jia)更多的市(shi)場和應用潛能。
