電池管理器支持集成、高效、可擴展和可測試的備用電源系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)的客戶需要保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)始終安全。冗余數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)和數(shù)據(jù)備份會在數(shù)據(jù)寫入持久介質(zhì)（如磁盤或磁帶）后保留數(shù)據(jù)，但存儲在緩存 RAM 中的數(shù)據(jù)在遇到電源故障時容易受到攻擊。某些系統(tǒng)在RAM中始終具有大量數(shù)據(jù)，并且在完全斷電的情況下，這些數(shù)據(jù)會丟失。保存瞬態(tài)數(shù)據(jù)的典型解決方案是不間斷電源 （UPS），它為整個系統(tǒng)提供交流電源。此方法的缺點是它不容易擴展 - 一個超大且昂貴的系統(tǒng)必須涵蓋所有方案。

不同規(guī)模的備用電池

備用電池的規(guī)模范圍從多個信息產(chǎn)品協(xié)同工作的整個系統(tǒng)到較小的獨立產(chǎn)品。對于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)必須保持運行，直到有時間正確保存數(shù)據(jù)，然后關(guān)閉。通常，這意味著連接到系統(tǒng)的所有內(nèi)容也必須保持活動狀態(tài)。簡而言之，電池備份系統(tǒng)必須在全速運行時支持整個系統(tǒng)。如果關(guān)注的數(shù)據(jù)完全包含在CPU處理器中，那么電池備份系統(tǒng)的大小自然會適當?shù)乜s小。

交流備份效率低下

如引言中所述，解決瞬態(tài)數(shù)據(jù)問題的典型方法是通過其交流輸入為整個系統(tǒng)供電。不幸的是，交流級備份需要從直流到交流電再再回到直流的低效電源轉(zhuǎn)換，從而確保在給定的備用時間內(nèi)具有相對較大的電池容量。這對電池制造商有利，但對系統(tǒng)客戶不利。其結(jié)果是一個物理巨大且非常昂貴的第三方UPS電池備份系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須能夠以最壞情況下的效率提供最壞情況下的功耗水平。

集成度差的解決方案

通常情況下，這些信息系統(tǒng)在設(shè)計時從未考慮過備用電池，這是使用交流備份的重要原因之一。備用電池和數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間缺乏互操作性，這意味著很難優(yōu)化整個系統(tǒng)以節(jié)省資金、管理能源或生成有關(guān)實際情況的狀態(tài)報告。該解決方案看起來和行為都像是一個繁瑣的事后想法，確實如此。與之形成鮮明對比的是，日常筆記本電腦是集成電源管理的一個很好的例子。

對高成本的錯誤認知

傳統(tǒng)上大型且昂貴的UPS解決方案的結(jié)果是，它限制了系統(tǒng)制造商將備用電池作為內(nèi)置功能提供的市場機會?？蛻舯仨殭?quán)衡UPS的優(yōu)勢與其作為迷你發(fā)電站的聲譽，通常會合理化避免它的方法。低需求降低了系統(tǒng)設(shè)計人員集成UPS系統(tǒng)的動力。不幸的是，這種思維方式將利潤洗牌到UPS供應(yīng)商的口袋里，而這些利潤本應(yīng)屬于信息系統(tǒng)供應(yīng)商的口袋。

現(xiàn)實情況是，緊湊、緊密集成、高效且具有成本效益的電池備份解決方案可以直接設(shè)計到信息系統(tǒng)中，并且可以提供超出任何UPS系統(tǒng)能力的功能和性能。首先，由于備用電源可以僅指向那些需要保持活動狀態(tài)的電路，因此所需的功率大大減少。同樣，也沒有交流效率損失需要處理。綜合節(jié)能顯著減小了電池的物理尺寸，從而可以將整個電池備份系統(tǒng)安裝在產(chǎn)品機箱內(nèi)。為了解決可擴展性問題，如果需要保護多個數(shù)據(jù)點，可以將集成電池備份概念擴展到信息系統(tǒng)的其他部分。

新的競爭優(yōu)勢

通過將備用電池集成到信息系統(tǒng)中，信息系統(tǒng)供應(yīng)商可以提供比第三方UPS系統(tǒng)更好的監(jiān)控和報告功能，從而為客戶節(jié)省大量總體成本。這是一個競爭優(yōu)勢，因為它對系統(tǒng)設(shè)計師和客戶來說都是一個明顯的勝利。

挑戰(zhàn)

如果信息系統(tǒng)的設(shè)計工程師要集成一個可靠的備份系統(tǒng)作為產(chǎn)品的擴展，那么在前期就會遇到一些技術(shù)挑戰(zhàn)。完整解決方案涉及三個基本子系統(tǒng)。

充電器

電源路徑管理

狀態(tài)報告

這些子系統(tǒng)可作為單獨的集成設(shè)備隨時提供，但是如果您希望需要這些系統(tǒng)緊密協(xié)作的功能，該怎么辦？例如，在所有條件下始終了解并保持電池的健康狀況和充電狀態(tài)需要所有三個系統(tǒng)的共同努力。備用電池系統(tǒng)中其他理想的功能包括：

良好的電池驗證，可消除備份故障意外。

隨著系統(tǒng)的增長而具有可擴展性。

保持盒子冷卻的效率。

為簽訂合同的客戶提供冗余支持，保證不會丟失數(shù)據(jù)。

即使電池出現(xiàn)故障，也能保持故障狀態(tài)，以防止產(chǎn)生虛假的安全感。

完整的備用電池管理器

LTC4110 通過在單個 IC 中集成以下功能，得以實現(xiàn)可靠、高效和可擴展的電池備份系統(tǒng)：

高效的多化學標準和智能電池充電器：無需為處理器增加充電任務(wù)的負擔。

自動電源路徑管理：在所有電源之間提供平穩(wěn)切換。

靈活的狀態(tài)報告：SMBus 上所有模式和故障的狀態(tài)。

燃氣表支持：支持智能電池和標準電池的簡單容量驗證。

測試負載電池：驗證它仍然很好，所以沒有驚喜。

可擴展性：能夠添加更多 LTC4110 以增加總可用電池容量。

效率：同步整流、低損耗FET理想二極管和零熱測試負載電池。

冗余支持：并聯(lián)使用多個 LTC4110 以提供完整的單故障容限。

靈活的 I/O 引腳：使用可定義的 GPIO 引腳或狀態(tài)輸出引腳。

狀態(tài)保留：電池耗盡后保留備用電池故障狀態(tài)。

這只是功能的摘要。讓我們看一個示例應(yīng)用程序，看看所有這些功能是如何組合在一起的。

LTC4110 的緊密耦合架構(gòu)

圖 1 示出了 LTC4110 如何適合電池備份的服務(wù)器存儲器系統(tǒng)。LTC4110 連接至現(xiàn)有的 I2C 總線，從而利用現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施。它位于主配電電源和存儲器系統(tǒng)電源之間，隨時準備在輸入故障時切斷電池。它將DCIN與DCOUT隔離，因此電池支持的唯一負載是內(nèi)存。現(xiàn)有的DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換未穩(wěn)壓的電池電壓，并繼續(xù)向存儲器提供穩(wěn)壓。

圖1.CPU/服務(wù)器系統(tǒng)中LTC4110的框圖

圖 2 示出了 LTC4110 電池備份控制器原理圖。原理圖顯示一個12.6V鋰離子電池由固定的12V電源充電。

圖2.基于 LTC4110 的電池備份系統(tǒng)。

超柔性電池充電器

300kHz電池充電器由一個高效的同步整流反激式充電器組成，輸入范圍為4.5V至19V，充電速率高達3A。2.7V至19V的寬輸出電壓范圍能夠?qū)㈦姵爻潆娭镣耆K止電壓，無論電壓小于或大于輸入電源電壓。無需將電池組電壓配置為在輸入電源限制內(nèi)工作，從而完全自由地針對應(yīng)用優(yōu)化電池。對于使用恒壓充電的電池，輸出精度為 ±0.5%，但同時可調(diào)節(jié)，允許您優(yōu)化電池以獲得更長的電池壽命或最大容量。還為密封鉛酸電池提供浮動電壓溫度補償。

LTC4110 包含許多電池充電保護系統(tǒng)，包括在進入大容量充電之前對所有化學成分進行充電預(yù)調(diào)節(jié)鑒定，以及一個用于監(jiān)視電池溫度的熱敏電阻接口。安全定時器還以各種方式用于防止電池過度充電或幫助檢測有缺陷的電池。如果電池出現(xiàn)故障，充電狀態(tài)將更新。在標準電池模式下，LTC4110 采用內(nèi)置的充電終止功能。在智能電池模式下，電池本身控制充電終止。無論模式如何，電池充電器都能夠以許多不同的電池配置為許多不同類型的電池化學物質(zhì)充電。表 1 和表 2 提供了 LTC4110 充電能力的快速概述。圖3顯示了充電模式下的功率流。

圖3.LTC4110 處于充電模式。

建立對電池的信心，同時保持冷靜

如果要對系統(tǒng)充滿信心，則必須始終了解備用電池的狀況。在主機 CPU 或電源管理器的監(jiān)視下，您可以做三件事來建立這種信心：

測試加載電池：電池還能工作嗎？

驗證電池容量：它是否仍具有支持備份的保留容量？

燃氣表狀態(tài)：電池的充電狀態(tài) （SOC） 是什么？

起初測試加載電池似乎很簡單。只需將測試負載連接到電池并觀察其工作。理想情況下，電池在產(chǎn)品中進行測試，無需打開盒子。必須處理的大問題是負載在測試過程中產(chǎn)生的熱量。在許多應(yīng)用中，產(chǎn)品本身已經(jīng)接近熱極限，這意味著可能無法將額外的熱量放入盒子內(nèi)。

在LTC4110術(shù)語中，測試電池負載是稱為“校準”的模式的一部分。在校準模式下，LTC4110 反向使用其反激式充電器，以一個可編程恒定電流將電池放電至“系統(tǒng)負載”，從而消除了熱量的產(chǎn)生。在校準期間，主 AC/DC 電源僅看到系統(tǒng)負載電流的降低等于電池提供的電流。產(chǎn)品內(nèi)部沒有溫度變化。電池繼續(xù)放電，直到滿足終止放電的條件。在放電終止時，LTC4110 自動啟動一個再充電周期，以使電池恢復到就緒狀態(tài)。圖4顯示了校準模式下的功率流。

圖4.LTC4110 處于校準模式。

在同一校準過程中可以輕松驗證電池容量。R時的電池放電電流精度為±3%社交網(wǎng)絡(luò)（蝙蝠）在圖 2 中，主機可以啟動校準過程，同時監(jiān)控充滿電池耗盡所需的時間。主機知道固定負載電流后，可以使用時間信息以合理的精度確定電池的當前存儲容量（安培小時）。

如果希望進行全時高精度電池SOC監(jiān)測，那么當今制造的每臺筆記本電腦中都能找到的行業(yè)標準智能電池系統(tǒng)（SBS）電量計是唯一真正的解決方案。LTC4110 在充電、放電和校準工作模式中完全支持此標準。

無損自動電源路徑操作

LTC4110 采用理想的二極管電路來驅(qū)動其 PowerPath?場效應(yīng)管。理想的二極管電路使用MOSFET，而通常使用二極管來控制功率流。與真正的二極管一樣，盡管MOSFET可以在兩個方向上傳導電流，但電流只允許沿一個方向流動。理想二極管的正向壓降（25mV）遠小于傳統(tǒng)肖特基二極管（350mV），理想二極管的反向漏電流也可以更小。微小的正向壓降可降低功率損耗，最大限度地減少自發(fā)熱，并在電池的情況下延長電池壽命。

在圖2中，有兩組理想二極管在電源輸入（DCIN）和電池之間形成一個電源OR，形成一個稱為備用負載（DCOUT）的輸出。在圖中，電池路徑中使用了兩個背靠背MOSFET，因為在此應(yīng)用中，完全充電的電池電壓大于DCIN電壓。但是，如果電池電壓小于DCIN，則只需要一個MOSFET。

在正常情況下，輸入理想二極管始終導通。如果DCIN分壓器檢測到需要備用電池的情況，則電池理想二極管導通，輸入理想二極管留出，以確定何時自行關(guān)閉。二極管動作允許最高電源承擔備用負載。但由于DCIN正在下降，輸入理想二極管一旦檢測到反向電流就會關(guān)閉。理想二極管設(shè)計的目標是盡可能始終嘗試進行“先開后斷”切換，從而最大限度地減少對任何“橋接”或“保持”電容的需求。圖 5 示出了處于電池備份模式的 LTC4110。粗線表示活動電源路徑。

圖5.LTC4110 處于電池備份模式。

可擴展容量或創(chuàng)建冗余

理想的二極管技術(shù)也是允許一個 LTC4110 與其他 LTC4110 協(xié)同工作以實現(xiàn)冗余的關(guān)鍵。多個 LTC4110 可在備份負載 （DCOUT） 點并聯(lián)連接。無論 SOC 或電壓如何差異，電池都不會在它們之間交換電流。

假設(shè)電池的品牌、型號和年齡相同，電池會自動充當一個大電池，根據(jù)其相對 SOC 比率共享放電負載電流。如果所有電池都是相同的 SOC，則它們之間的電流相等。充電電流保持獨立。

一些電池化學成分，如鋰離子電池，對可以安全運輸?shù)碾姵爻叽缬幸?guī)定。如果您的備份需求超過 95 瓦時的容量，則必須使用多個電池。只需再添加另一個 LTC4110 即可支持雙電池操作。幸運的是，這種擴展還通過最大限度地減少每個備份系統(tǒng)之間共享的部件數(shù)量，為系統(tǒng)提供了真正的冗余。圖 6 示出了使用兩節(jié)標準（非智能）電池的雙通道 LTC4110 系統(tǒng)。

圖6.采用標準電池的雙通道LTC4110系統(tǒng)。

靈活的 SMBus 尋址和寄存器

無論您使用的是智能電池還是標準電池，LTC4110 都支持一個 SMBus 接口，主機 CPU 可使用該接口來控制和監(jiān)視每個部件。為便于使用標準電池進行配置，LTC4110 支持多達 4110 個唯一的 SMBus 地址。但是，如果您使用智能電池，則所有 LTC4110 必須使用相同的地址，并且每個 LTC4110 和相關(guān)智能電池本地 SMBus 必須與所有其他 LTC4305 隔離。在主機 CPU 的控制下，使用 SMBus 多路復用器（如 LTC4306 或 LTC4110）可以輕松實現(xiàn)這一點。在可能的情況下，LTC<> 遵循智能電池系統(tǒng) （SBS） 充電器規(guī)范的寄存器定義，以便與與智能電池配合使用的軟件兼容。

完整狀態(tài)和靈活的 GPIO 線

在內(nèi)部，LTC4110 使用兩個 16 位 SMBus 讀寄存器來報告 27 個唯一狀態(tài)項。這包括保留并報告電池備份是否失敗的位，即使在電池低于用戶定義的放電結(jié)束截止（死）閾值之后也是如此。另一個 16 位 SMBus 寫寄存器控制充電器以及如何使用三個 GPIO 位。

每個 GPIO 位都可以編程為報告選定的內(nèi)部狀態(tài)信息，或獨立于其他位作為通用數(shù)字 I/O 工作。始終提供固定的交流當前狀態(tài)輸出位。但是，如果產(chǎn)品中沒有 SMBus，則可以將 LTC4110 配置為啟用預(yù)設(shè)狀態(tài)信息，以在上電時驅(qū)動 GPIO 位。此信息可用于驅(qū)動狀態(tài) LED。

微功耗關(guān)斷和運輸

LTC4110 停機引腳專為防止上電或斷電時的錯誤停機而設(shè)計。讀取引腳狀態(tài)是經(jīng)過預(yù)驗證的，因此僅在正常情況下才接受。該認證允許產(chǎn)品在安裝電池的情況下發(fā)貨，而不必擔心部件進入備用電池模式并耗盡電池電量。停機電流僅從電池吸收 20μA 電流。這與 LTC4110 在備用電池達到其放電點終點時進入的停機模式相同。

結(jié)論

LTC?4110 是一款靈活的獨立電池備份控制器。通過將關(guān)鍵特性集成到單個IC中，功能可以無縫協(xié)同工作，使設(shè)計人員能夠以最少的設(shè)計工作提供可靠且完整的電池備份系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷