如何保持電源連續(xù)性

作者：Tony Armstrong and Steve Knoth

在當(dāng)今持續(xù)連接的世界中，許多電子系統(tǒng)始終運(yùn)行是司空見慣的，無論其外部環(huán)境或操作條件如何。換句話說，系統(tǒng)電源中的任何故障，無論是瞬間、幾秒鐘還是幾分鐘，都必須在設(shè)計過程中考慮在內(nèi)。處理這種情況的最常見方法是使用不間斷電源（UPS）來彌補(bǔ)這些短暫的停機(jī)時間，從而確保系統(tǒng)的高可靠性和連續(xù)運(yùn)行。同樣，當(dāng)今的許多應(yīng)急和備用系統(tǒng)都用于為建筑系統(tǒng)提供備用電源，以確保安全系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備能夠在停電期間保持其運(yùn)行 - 無論根本原因是什么。

在我們?nèi)粘Ｉ钪袩o處不在的手持電子設(shè)備中可以很容易地找到明顯的例子。由于可靠性至關(guān)重要，因此手持設(shè)備采用輕質(zhì)電源精心設(shè)計，可在正常條件下可靠使用。但是，再仔細(xì)的工程也無法阻止他們在人們手中遭受的虐待。例如，當(dāng)工廠工人掉落手持便攜式掃描設(shè)備，導(dǎo)致其電池脫落時會發(fā)生什么？此類事件在電子上是不可預(yù)測的，存儲在易失性存儲器中的重要數(shù)據(jù)如果沒有某種形式的安全網(wǎng)（即某種短期電源保持系統(tǒng)）就會丟失，該系統(tǒng)存儲足夠的能量來提供待機(jī)電源，直到可以更換電池或數(shù)據(jù)存儲在永久存儲器中。

這個例子清楚地表明，電子系統(tǒng)中需要一種替代形式的電源，以防其主電源中斷。

在汽車電子系統(tǒng)中，有許多應(yīng)用即使在汽車停放（發(fā)動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)）時也需要持續(xù)供電，例如遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入、安全，甚至個人信息娛樂系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常包含導(dǎo)航、GPS 定位和 eCall 功能。很容易理解為什么即使汽車不移動，這些系統(tǒng)也必須保持開啟狀態(tài)，因?yàn)檫@些系統(tǒng)的GPS方面必須始終處于緊急和安全狀態(tài)。這是一個必要的要求，以便在必要時可以由外部操作員激活基本控制。

考慮一個eCall系統(tǒng)（以通用汽車在美國的OnStar系統(tǒng)為例），該系統(tǒng)在全球新型汽車中變得越來越普遍，許多制造商已經(jīng)在其產(chǎn)品系列中推出了它們。事實(shí)上，這些系統(tǒng)在歐洲成為 3 月 31 日之后銷售的所有新車和輕型卡車的強(qiáng)制性要求?圣, 2018.這是一個非常簡單的技術(shù)：如果發(fā)生汽車安全氣囊展開的碰撞，eCall系統(tǒng)會自動聯(lián)系緊急服務(wù)。它使用GPS將時間，您的位置，您乘坐的汽車類型以及使用哪種燃料傳遞給當(dāng)局，而汽車中的麥克風(fēng)允許您在系統(tǒng)激活時直接與呼叫處理程序交談。這些eCall系統(tǒng)可以共享事件發(fā)生時您的行進(jìn)方向，使當(dāng)局知道在發(fā)生碰撞時他們需要前往高速公路的哪一側(cè)。所有這些都使救護(hù)車、警察和消防人員能夠在事故發(fā)生后盡快與您聯(lián)系，并掌握盡可能多的信息。個人也可以通過按下按鈕來激活eCall，因此如果有人生病（或在安全氣囊未展開的碰撞中受傷），仍然可以輕松召喚幫助。

存儲介質(zhì)

在認(rèn)識到各種系統(tǒng)中需要備用電源之后，問題就出現(xiàn)了：這種類型的備用電源的存儲介質(zhì)有哪些選擇？傳統(tǒng)上，選擇是電容器和電池。

可以說，幾十年來，電容器技術(shù)在電力傳輸和輸送應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。例如，傳統(tǒng)的薄膜和油基電容器設(shè)計執(zhí)行多種功能，例如功率因數(shù)校正和電壓平衡。然而，在過去十年中，大量的研究和開發(fā)導(dǎo)致了電容器設(shè)計和功能的重大進(jìn)步。這些先進(jìn)的電容器被稱為超級電容器（也稱為超級電容器），它們非常適合用于電池儲能和備用電源系統(tǒng)。超級電容器在總能量存儲方面可能受到限制;然而，它們的能量密度很高。此外，它們具有快速釋放高能量和快速充電的能力。

超級電容器不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且堅固可靠，并且可以支持備份系統(tǒng)對短期斷電事件的要求，例如本文已經(jīng)概述的那些事件。此外，它們可以很容易地并聯(lián)或串聯(lián)堆疊，甚至兩者的組合，以滿足最終應(yīng)用所需的電壓和電流需求。然而，超級電容器不僅僅是具有非常高電容水平的電容器。與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷、鉭或電解電容器相比，超級電容器以相似的外形尺寸和重量提供更高的能量密度和電容。而且，盡管超級電容器需要一些特殊的護(hù)理，但它們正在增加甚至取代需要高電流/短時間備用電源的數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用中的電池。

此外，它們還可用于各種需要高電流突發(fā)或瞬時備用電池的高峰值功率和便攜式應(yīng)用，例如UPS系統(tǒng)。與電池相比，超級電容器以更小的外形尺寸提供更高的峰值功率突發(fā)，并在更寬的工作溫度范圍內(nèi)具有更長的充電循環(huán)壽命。通過降低電容器的浮電電壓和避免高溫（>50°C），可以最大限度地延長超級電容器的使用壽命。

另一方面，電池可以存儲大量能量，但在功率密度和傳輸方面受到限制。由于電池內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，它們在循環(huán)方面的壽命有限。因此，當(dāng)長時間提供適量的功率時，它們最有效，因?yàn)榉浅？焖俚貜闹欣鲈S多安培，嚴(yán)重限制了它們的使用壽命。表1總結(jié)了超級電容器、電容器和電池的優(yōu)缺點(diǎn)。

新的備份管理器電源解決方案

既然我們已經(jīng)確定超級電容器、電池和/或兩者的組合都可以用作幾乎任何電子系統(tǒng)中的備用電源，那么有哪些可用的解決方案？

首先，任何IC解決方案都需要是一個完整的鋰離子電池備用電源管理系統(tǒng)，能夠在主電源故障事件期間保持3.5 V至5 V電源軌處于活動狀態(tài)。由于電池提供的能量比超級電容器多得多，因此它們非常適合需要長時間備份的應(yīng)用。因此，任何IC解決方案都需要具有片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器，以便為備用電池提供高效充電，并在主電源軌發(fā)生中斷時能夠?yàn)橄掠呜?fù)載提供高電流備用電源。因此，當(dāng)外部電源可用時，該器件將用作單節(jié)鋰離子電池或LiFePO的降壓電池充電器。4電池，同時優(yōu)先考慮系統(tǒng)負(fù)載。但是，如果輸入電源突然降至可調(diào)電源故障輸入（PFI）門限以下，IC將需要作為升壓穩(wěn)壓器工作，能夠從備用電池向系統(tǒng)輸出提供數(shù)安培的電流。因此，如果發(fā)生電源故障，則IC將需要電源路徑控制，以提供反向阻斷以及輸入電源和備用電源之間的無縫切換。這種IC的典型應(yīng)用包括車隊(duì)和資產(chǎn)跟蹤、汽車GPS數(shù)據(jù)記錄器、汽車遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)備份和USB供電設(shè)備。圖1顯示了使用ADI公司的線性功耗的典型應(yīng)用原理圖? LTC4040 鋰離子電池備份管理器。

圖1.采用 LTC4040 的后備電源，具有一個用戶設(shè)定的 PFI 門限。

LTC4040 還包括可選的過壓保護(hù) （OVP），可通過外部 FET 保護(hù) IC 免受大于 60 V 的輸入電壓的影響。其可調(diào)輸入電流限制功能支持從電流限制源工作，同時優(yōu)先考慮系統(tǒng)負(fù)載電流而不是電池充電電流。外部斷開開關(guān)在備份期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離。LTC4040 的 2.5 A 電池充電器提供 8 個針對鋰離子和 LiFePO 優(yōu)化的可選充電電壓4電池。該器件還包括輸入電流監(jiān)控、輸入功率損耗指示器和系統(tǒng)功率損耗指示器。

類似于電池的是超級電容器。但是，它們不支持長時間的斷電，而是需要高功率、短持續(xù)時間備用電源的系統(tǒng)的絕佳選擇。因此，任何支持此類應(yīng)用的IC通常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，超級電容器具有比電池更高的功率密度，使其成為其應(yīng)用需要在短時間間隔內(nèi)進(jìn)行高峰值功率備份的系統(tǒng)的理想選擇。例如，ADI公司的線性電源產(chǎn)品線LTC4041采用片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器，以提供高效率降壓型超級電容器充電以及高電流、高效率升壓備用電源。當(dāng)外部電源可用時，該器件可用作一個或兩個超級電容器電池的降壓電池充電器，同時優(yōu)先考慮系統(tǒng)負(fù)載。當(dāng)輸入電源降至可調(diào)PFI閾值以下時，LTC4041切換至升壓模式操作，并可從超級電容器向系統(tǒng)負(fù)載提供高達(dá)2.5 A的電流。在電源故障事件期間，設(shè)備的 PowerPath?控制提供反向阻塞和從輸入電源到備用電源的無縫切換。LTC4041的典型應(yīng)用包括穿越式“垂死喘息”電源、3 V至5 V UPS的高電流穿越、功率計、工業(yè)報警器、服務(wù)器和固態(tài)驅(qū)動器。圖 2 示出了典型的 LTC4041 應(yīng)用原理圖。

圖2.LTC4041超級電容器備份應(yīng)用原理圖。

LTC4041包括一個可選的OVP功能，使用外部FET，可以保護(hù)IC免受大于60 V的輸入電壓的影響。內(nèi)部超級電容器平衡電路在每個超級電容器上保持相等的電壓，并將每個超級電容器的最大電壓限制在預(yù)定值。其可調(diào)輸入電流限制功能支持從電流限制源工作，同時優(yōu)先考慮系統(tǒng)負(fù)載電流而不是電池充電電流。外部斷開開關(guān)在備份期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離。該器件還包括輸入電流監(jiān)控、輸入電源故障指示器和系統(tǒng)電源故障指示器。

結(jié)論

每當(dāng)系統(tǒng)必須具有恒定可用性時，即使主電源發(fā)生故障或短暫中斷，備用電源始終是明智的選擇。幸運(yùn)的是，設(shè)計人員可以根據(jù)其特定需求考慮許多 IC 選項(xiàng)，包括 LTC4040 / LTC4041 備份管理器。這些類型的IC提供了一種簡單的方法，可以在主電源中斷或丟失時提供備用電源，無論其存儲介質(zhì)是超級電容器，電解電容器還是電池。LTC4040 和 / 或 LTC4041 具有為終端系統(tǒng)提供備用電源的功能，無論是瞬時突發(fā)還是長時間。因此，請確保您的系統(tǒng)在需要時具有正確的備份。明白了？

審核編輯：郭婷