在嵌入式系統(tǒng)依賴(lài)持續(xù)供電的電信、工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)丟失是引人關(guān)切的。供電的突然中斷會(huì)導(dǎo)致正在對(duì)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和閃存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)的數(shù)據(jù)受損。通常，嵌入式系統(tǒng)僅需 10ms 至50ms的時(shí)間對(duì)易失性數(shù)據(jù)進(jìn)行備份以防止發(fā)生丟失。盡管如此，不可靠的電源使之難以實(shí)現(xiàn)。長(zhǎng)的電源線(xiàn)、電量耗盡的電池、未調(diào)整的AC 適配器、拋載和大功率電動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)操作都會(huì)導(dǎo)致電源的不可靠。
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(tǒng)，其可存儲(chǔ)充足的電能以提供備用電源，直到可以更換電池或可把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在永久性存儲(chǔ)器中為止)，則電源的不可靠會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)器中的重要數(shù)據(jù)必定丟失。而應(yīng)對(duì)此類(lèi)情況最常用的方法是使用不間斷電源以覆蓋這些短暫的故障停機(jī)時(shí)間，從而確保高可靠性的系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)作，或者提供某種替代形式電源，以針對(duì)主電源未接入 (主電源發(fā)生供電中斷)場(chǎng)合的備份計(jì)劃。
電源儲(chǔ)存的基本介質(zhì)——電容&電池特性分析
既然嵌入式系統(tǒng)需要備用電源，那么該用什么作為這種電源的能量?jī)?chǔ)存介質(zhì)呢? 傳統(tǒng)上，人們一直選擇的是電容和電池
電容技術(shù)在電力傳輸和配送應(yīng)用中發(fā)揮作用已有數(shù)十年之久。而隨著近十年的研究和開(kāi)發(fā)，電容的設(shè)計(jì)和容量有了更加顯著的進(jìn)步。這些新型電容被稱(chēng)為超級(jí)電容，非常適合用于電池儲(chǔ)能和備用電源系統(tǒng)。其能量密度非常高，同時(shí)具有快速釋放高能量并快速充電的能力。與電池相比，超級(jí)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(shù)更多，工作溫度范圍更寬。而電池提供的能量比超級(jí)電容器多得多，因此對(duì)于需要后備電源以延長(zhǎng)工作時(shí)間的應(yīng)用而言，電池則更有優(yōu)勢(shì)。
表1總結(jié)了超級(jí)電容、普通電容和電池的優(yōu)缺點(diǎn)。
因此，基于使用場(chǎng)景的不同，超級(jí)電容、電池或二者的組合幾乎可以用作所有電子系統(tǒng)的備用電源。儲(chǔ)存介質(zhì)選定了，該怎么用在具體系統(tǒng)中呢？其電路設(shè)計(jì)有啥差異？ADI公司就為備用電源系統(tǒng)推出了眾多專(zhuān)為滿(mǎn)足該應(yīng)用需求而特別設(shè)計(jì)的IC，本文給出了該公司針對(duì)電池及超級(jí)電容及電解電容的備用電源管理電路，對(duì)比分析可以為相關(guān)應(yīng)用找對(duì)最佳的備用電源方案。
基于電池的電源保持解決方案
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(tǒng)。其用一個(gè)內(nèi)置雙向同步轉(zhuǎn)換器提供高效率電池充電以及大電流、高效率后備電源。當(dāng)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(jié)鋰離子或LiFePO4電池，同時(shí)優(yōu)先為系統(tǒng)負(fù)載供電。當(dāng)輸入電源降至低于可調(diào)電源故障輸入(PFI)門(mén)限時(shí)，LTC4040就作為升壓型穩(wěn)壓器工作，能夠從后備電池向系統(tǒng)輸出提供高達(dá) 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(yīng)用包括汽車(chē) GPS 數(shù)據(jù)記錄儀、車(chē)載多媒體系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)備份和USB供電型設(shè)備。
具4.22V PFI 門(mén)限的 4.5V后備電源
基于超級(jí)電容的電源保持解決方案
LTC3110 是一款雙向、輸入電流可編程的降壓-升壓型超級(jí)電容器充電器，該器件具主動(dòng)充電平衡功能，適合單節(jié)或兩節(jié)串聯(lián)超級(jí)電容器。其專(zhuān)有的低噪聲降壓-升壓型拓?fù)涫乖撈骷喈?dāng)于兩個(gè)單獨(dú)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，從而減小了尺寸和成本，并降低了復(fù)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(jí)電容器儲(chǔ)存的能量供電，保持一個(gè) 1.71V 至 5.25V 的系統(tǒng)電壓 (VSYS)。而在充電模式中，當(dāng)主電源系統(tǒng)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(wěn)定的系統(tǒng)電壓給超級(jí)電容器充電并做出平衡。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(zhǔn)確度設(shè)定至高達(dá) 2A，從而防止系統(tǒng)電源過(guò)載，同時(shí)最大限度地縮短電容器再充電時(shí)間。
基于超級(jí)電容器的 LTC3110 備份解決方案 (VIN 高達(dá) 5.25V)
基于電解電容的電源保持解決方案
下圖中的解決方案則以 LTC3643 雙向后備電源為中心。當(dāng)輸入電壓存在時(shí)，LTC3643 在升壓模式中給存儲(chǔ)電容器 CSTORAGE 充電 (至高達(dá) 40V)。當(dāng)輸入電壓被中斷時(shí)，LTC3643 在降壓模式中把存儲(chǔ)電容器的電量釋放至負(fù)載，從而將負(fù)載上的標(biāo)稱(chēng)電壓 (VSYS) 保持在 3V 至 17V 的范圍內(nèi)。
后備存儲(chǔ)電源軌相對(duì)高的電壓增加了該解決方案的儲(chǔ)能 (E = CV2/2)，并使得可把電解電容器用作一種后備儲(chǔ)能組件。電解電容器便宜且廣泛地使用，因而顯著地降低了后備解決方案的成本。LTC3643 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其能夠支持 12V 系統(tǒng)，在許多汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用中，12V 是默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓軌。
LTC3643 高電壓備份解決方案；VIN 高達(dá) 17V
如圖所示，LTM 4607 μModule降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器充當(dāng)前端穩(wěn)壓器，從一個(gè) 5V 至 36V 輸入 (例如：汽車(chē)電池) 產(chǎn)生 12V (高達(dá) 5A電流) 輸出。只要輸入電壓維持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，該降壓-升壓型穩(wěn)壓器就可保持一個(gè)穩(wěn)定的 12V 輸出，從而使得 VSYS 能安全度過(guò)汽車(chē)?yán)滠?chē)發(fā)動(dòng)和拋載等欠壓和過(guò)壓情況。當(dāng)輸入電壓被中斷或脫離了該范圍時(shí)，基于 LTC3643 的后備電源解決方案將保持 VSYS 系統(tǒng)電壓以提供短期的數(shù)據(jù)備份。
“輕裝上陣”的電源保持解決方案
而對(duì)于那些要求相對(duì)較短保持時(shí)間且對(duì)成本敏感的項(xiàng)目，下圖中的解決方案可通過(guò)縮短保持時(shí)間來(lái)?yè)Q取最低的組件成本。該方案以一般情況下充當(dāng)降壓型轉(zhuǎn)換器的 LTC3649 為中心。但是在這里，LTC3649 在輸入電壓斷接時(shí)轉(zhuǎn)而執(zhí)行升壓轉(zhuǎn)換操作。LTC3649 通過(guò)對(duì)其自己的輸出電容器進(jìn)行放電以在關(guān)鍵負(fù)載的端子上保持編程電壓。
LTC3649 “較廉價(jià)的” 備份解決方案，VIN 高達(dá) 60V
LTC3649是一款具有集成功率MOSFET的單芯片降壓調(diào)節(jié)器。它具有高效率和低靜態(tài)電流，這在許多電池供電系統(tǒng)中非常重要。它還具有很高的通用性、可編程頻率、高達(dá)60 V的寬 VIN 范圍以及低至接地的輸出電壓范圍。它簡(jiǎn)化了汽車(chē)和工業(yè)用品的設(shè)計(jì)，特別是考慮到其作為保持電路的潛質(zhì)時(shí)。
結(jié)論
每當(dāng)系統(tǒng)要求即使在主電源發(fā)生故障的情況下也始終可用時(shí)，擁有后備電源總是個(gè)好主意。而無(wú)論儲(chǔ)存介質(zhì)是超級(jí)電容、電解電容、抑或是電池的情況下，ADI都能夠提供簡(jiǎn)易后備電源的可用 IC選項(xiàng)。隨著電容及電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電源IC性能的繼續(xù)優(yōu)化也將為后備電源增加更多的市場(chǎng)和應(yīng)用潛能。
