用于 3.3 V 電壓軌的簡(jiǎn)單備份電源

Victor Khasiev Analog Devices 公司

在嵌入式系統(tǒng)需要可靠供電的電信、工業(yè)和汽車應(yīng)用中，數(shù)據(jù)丟失是個(gè)問(wèn)題。供電的突然中斷會(huì)在硬盤驅(qū)動(dòng)器和閃存執(zhí)行讀寫操作時(shí)損壞數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)人員常常使用電池、電容器和超級(jí)電容器來(lái)存儲(chǔ)足夠的能量，以在供電中斷期間為關(guān)鍵的負(fù)載提供短期電源支持。

LTC3643 備份電源使得設(shè)計(jì)人員能夠采用一種相對(duì)便宜的儲(chǔ)能元件：低成本電解電容器。在這里提及的備份電源或保持電源中，當(dāng)電源存在時(shí)，LTC3643 把一個(gè)存儲(chǔ)電容器充電至 40 V，而當(dāng)電源中斷時(shí)，LTC3643 則把該存儲(chǔ)電容器的電能釋放給關(guān)鍵負(fù)載。負(fù)載 (輸出) 電壓可變成為 3 V 和 17 V 之間的任何電壓。

LTC3643 可輕松用于 5 V 和 12 V 電壓軌的備份解決方案，但是3.3 V 電壓軌解決方案則需要格外謹(jǐn)慎。LTC3643 的最小工作電壓為 3 V，比較接近于 3.3 V 的標(biāo)稱輸入電壓電平。如圖 1a 所示，當(dāng)采用一個(gè)隔離二極管將備份電壓電源與非關(guān)鍵的電路分離時(shí)，這種余量就太緊了。如果 D1 是一個(gè)肖特基二極管，其正向壓降 (作為負(fù)載電流和溫度的函數(shù)) 會(huì)達(dá)到 0.4 V 至 0.5 V，足以把 LTC3643 VIN 引腳上的電壓置于 3 V 最小值以下。因此，備份電源電路可能無(wú)法啟動(dòng)。

一種可行的解決方案是把二極管移動(dòng)到供電 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入端 D2，如圖 1b 所示。遺憾的是，在此情形下，連接至上游DC/DC 電源的非關(guān)鍵負(fù)載會(huì)從備份電源吸取功率，因而留給關(guān)鍵負(fù)載的電能較少。

3.3 V 備份電源運(yùn)行

圖 2 示出了一款用于產(chǎn)生 3.3 V 備份電源的解決方案，其采用一個(gè)隔離 MOSFET 為關(guān)鍵負(fù)載儲(chǔ)備能量。圖 1 所示的隔離二極管被一個(gè)低柵極閾值電壓功率 P 溝道 MOSFET Q1 所取代。在 3.3 V 環(huán)境中運(yùn)行備份電源的關(guān)鍵是增設(shè) RA-CA 串聯(lián)電路。

啟動(dòng)時(shí)，隨著輸入電壓上升，流過(guò)電容器 CA 的電流取決于公式 ICA = C × (dV/dt)。該電流在 RA 的兩端產(chǎn)生一個(gè)電位，此電位足以強(qiáng)化一個(gè)低柵極閾值電壓小信號(hào) N 溝道 MOSFET Q2。當(dāng) Q2接通時(shí)，它把 Q1 的柵極拉至地電位，在輸入電壓和 LTC3643 電源引腳 VIN 之間提供了一條極低電阻的通路。一旦 3.3 V 被施加至轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器立即啟動(dòng)，下拉 Q1 的柵極和 PFO 引腳電平，并開始給存儲(chǔ)電容器充電。

當(dāng) 3.3 V 電壓軌達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，ICA 電流減小至某一點(diǎn)，在該點(diǎn)上RA 兩端的電壓下降到低于 Q2 柵極閾值電平且 Q2 關(guān)斷，因而不再影響備份轉(zhuǎn)換器的功能。另外，PFO 引腳將 R3A 接地，從而把 PFI 引腳電源故障電壓電平復(fù)位至最小值 3 V，以確保轉(zhuǎn)換器在輸入電壓電源斷接時(shí)保持正常運(yùn)行。

電路功能

圖 3 中的波形示出了 3.3 V 電壓軌啟動(dòng)時(shí)的結(jié)果。當(dāng)輸入電壓上升時(shí)，Q2 的柵極電壓也升高，因而把 Q1 的柵極拉至低電平。Q1 處于強(qiáng)化狀態(tài)，允許完整的 3.3 V 電壓到達(dá) LTC3643，將 Q1體二極管旁路。最后，Q2 的柵極電壓降至閾值電平以下且 Q2關(guān)斷，此時(shí) LTC3643 全面運(yùn)行并控制著 Q1 的柵極。

LTC3643 的多功能性在這里展現(xiàn)出來(lái)：特別是它能夠限制用于給存儲(chǔ)電容器充電的升壓型轉(zhuǎn)換器的充電電流。在必須盡量減小總電流的場(chǎng)合中，例如：當(dāng)存在長(zhǎng)導(dǎo)線或高阻抗電壓電源時(shí)，可把升壓電流設(shè)定在較低的水平，以最大限度減輕充電電流對(duì)輸入壓降的影響。這點(diǎn)對(duì) 3.3 V 電壓軌尤為重要。在圖 2 中，0.05 Ω 電阻器 RS 為升壓型轉(zhuǎn)換器充電電流設(shè)定了一個(gè) 0.5 A(10.5 A 負(fù)載) 的限值 (最大可能設(shè)定限值為 2 A)；其余的電流則輸送至負(fù)載。

圖 4 示出了失去 3.3 V 電壓軌時(shí)的波形。當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，Q2 的柵極電壓保持不變 (接近于地電位)，且 Q2 處于關(guān)斷狀態(tài)。與此相反，Q1 的柵極電壓則急劇上升至 3.3 V。這把 Q1 關(guān)斷，由 Q1 的體二極管發(fā)揮隔離二極管的作用，從而使負(fù)載與輸入分離。此時(shí)備份電源接管供電，LTC3643 通過(guò)釋放存儲(chǔ)電容器的電能以給關(guān)鍵負(fù)載提供 3.3 V。

結(jié)論

本文介紹的電路使 LTC3643 可用作一款針對(duì) 3.3 V 電壓軌的備份電源解決方案。LTC3643 采用低成本電解電容器作為儲(chǔ)能元件，簡(jiǎn)化了備份電源。

作者簡(jiǎn)介

Victor Khasiev 是 ADI 的一名高級(jí)應(yīng)用工程師。Victor 在電力電子 (包括 AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換) 方面具備豐富的經(jīng)驗(yàn)。他擁有兩項(xiàng)專利，并撰寫了多篇文章。這些文章有關(guān) ADI 半導(dǎo)體器件在汽車和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。文章的內(nèi)容涵蓋升壓、降壓、SEPIC、正壓至負(fù)壓、負(fù)壓至負(fù)壓、反激式、正激式轉(zhuǎn)換器、以及雙向備份電源。他的專利為高效功率因數(shù)校正解決方案和先進(jìn)柵極驅(qū)動(dòng)器方面。Victor 樂(lè)于為 ADI客戶提供支持：解答有關(guān) ADI 產(chǎn)品的問(wèn)題，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證電源原理圖，排布印刷電路板，故障排查，并參與測(cè)試最終系統(tǒng)。聯(lián)系方式： victor.khasiev@analog.com 。