正確選擇備用電源的儲存介質(zhì)的方法

在當(dāng)今持續(xù)運轉(zhuǎn)的世界里，無論外部環(huán)境或運行條件如何，許多電子系統(tǒng)持續(xù)運行是常見現(xiàn)象。換句話說，系統(tǒng)電源的任何故障，無論是瞬時、以秒計還是以分鐘計的故障，都必須在設(shè)計過程中加以考慮。處理此類情況的最常見的方式是使用不間斷電源(UPS)來彌補這些短暫的停機時間，從而確保系統(tǒng)以高可 靠性連續(xù)運行。

儲存介質(zhì)

眾多系統(tǒng)需要備用電源，而問題是：此類備用電源的儲存介質(zhì)有哪些選擇？傳統(tǒng)選擇是電容和電池。

可以說，電容技術(shù)在電力傳輸和配送應(yīng)用中發(fā)揮重要作用已有數(shù)十年之久。例如，傳統(tǒng)的薄膜和油基電容的設(shè)計能實現(xiàn)很多種功能，包括功率因數(shù)校正和電壓平衡等。但是，過去十年中進行了大量的研究和開發(fā)，使得電容設(shè)計和容量有了顯著進步。這些先進的電容被稱為超級電容，非常適合用于電池儲能和備用電源系統(tǒng)。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(jié)構(gòu)緊湊，而且穩(wěn)健可靠，可滿足備用電源系統(tǒng)的要求，應(yīng)對短期電源喪失事件。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(yīng)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/短時備用電源的數(shù)據(jù)存儲應(yīng)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(yīng)用中，例如UPS系統(tǒng)。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(shù)更多，工作溫度范圍更寬。通過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超級電容的使用壽命。

另一方面，電池可以儲存大量能量，但在功率密度和輸送方面有局限性。電池內(nèi)部會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故其充電循環(huán)次數(shù)很有限。因此，如果要在較長時間里輸送適量功率，那么電池最有效，而讓電池非常迅速地輸出大電流，則會嚴重縮短其有效使用壽命。表1總結(jié)了超級電容、普通電容和電池的優(yōu)缺點。

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(xiàn)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(tǒng)的備用電源，那么有哪些解決方案可用呢？

首先，任何 IC 解決方案都會需要一個完整的鋰離子電池備用電源管理系統(tǒng)，其必須能夠在主電源發(fā)生故障時讓 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時間供電的應(yīng)用使用電池更合適。相應(yīng)地，任何 IC 解決方案都會需要片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)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(dāng)外部電源可用時，該器件將用作單節(jié)鋰離子或 LiFePO4電池的降壓電池充電器，同時賦予系統(tǒng)負載以優(yōu)先權(quán)。然而，如果輸入電源突然降至可調(diào)電源失效輸入 (PFI) 閾值以下，該 IC 將需要充當(dāng)升壓調(diào)節(jié)器，以從備用電池向系統(tǒng)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(zhí)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縫切換。這種 IC 的典型應(yīng)用包括車隊和資產(chǎn)跟蹤、汽車 GPS 數(shù)據(jù)記錄器、汽車遠程信息處理系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)備用電源及 USB 供電設(shè)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(yīng)用原理圖。

圖1. 采用LTC4040且使用用戶設(shè)置PFI閾值的備用電源

LTC4040 還有可選的過壓保護 (OVP) 功能，通過外部FET保護 IC 免受高于60V 的輸入電壓的影響。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時系統(tǒng)負載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開開關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開來。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(jiān)控功能、輸入電源喪失指示器和系統(tǒng)電源喪失指示器。

與電池類似的是超級電容。然而，超級電容不支持主電源長時間喪失的場合，但它是需要高功率、短時間備用電源的系統(tǒng)的出色選擇。因此，任何支持此類應(yīng)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，這使其成為短時間內(nèi)需要高峰值功率備用電源的系統(tǒng)的理想選擇。

舉例來說，ADI 公司 Power by Linear 產(chǎn)品線中的 LTC4041 使用片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)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(dāng)外部電源可用時，該器件用作一個或兩個超級電容單元的降壓電池充電器，同時賦予系統(tǒng)負載以優(yōu)先權(quán)。當(dāng)輸入電源降至可調(diào)PFI閾值以下時，LTC4041切換到升壓工作模式，可以從超級電容向系統(tǒng)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縫切換。LTC4041的典型應(yīng)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(qū)動器。圖2顯示了一個典型 LTC4041 應(yīng)用原理圖。

圖2. LTC4041超級電容備用電源應(yīng)用原理圖

LTC4041 有一個可選的OVP功能，使用外部 FET 來保護 IC 免受高于 60 V的輸入電壓的影響。內(nèi)部超級電容平衡電路使每個超級電容上的電壓保持相等，并將每個超級電容的最大電壓限制在預(yù)定值。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時系統(tǒng)負載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開開關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開來。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源失效指示器和系統(tǒng)電源失效指示器。

結(jié)論

如果要求系統(tǒng)必須持續(xù)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(shè)計人員考慮以滿足特定需求，包括 LTC4040/LTC4041 備用管理器。當(dāng)主電源中斷或喪失時，此類 IC 很容易讓備用電源發(fā)揮作用，無論其儲存介質(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(tǒng)提供備用電源的功能，無論是瞬時突發(fā)供電還是長時間供電。因此，請確保您的系統(tǒng)在需要時有合適的備用電源可用。明白了吧？