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對(duì)于眾多的應(yīng)用而言，常常需要一種在主電源突然不能使用時(shí)承擔(dān)供電任務(wù)的臨時(shí)后備電源。具體的實(shí)例包括數(shù)據(jù)備份應(yīng)用 (從服務(wù)器到固態(tài)驅(qū)動(dòng))、工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用中的電源故障報(bào)警、以及一系列其他可承受 “電源瀕臨崩潰” 的功能 (其必須確保有序的斷電并將系統(tǒng)狀態(tài)信息傳送至一部受電的主機(jī))。過去，此類高可靠性系統(tǒng)采用電池以在主電源供電不足或者不能使用時(shí)提供一種不間斷電源。然而，這種電池后備的方式伴隨著諸多的權(quán)衡取舍，包括漫長的充電時(shí)間、有限的電池使用壽命和循環(huán)壽命、安全性和可靠性問題、以及物理尺寸龐大等。隨著高值雙電層電容器 (更多地被稱為 “超級(jí)電容器” ) 的出現(xiàn)，人們可以運(yùn)用替代的后備架構(gòu)，從而免除上述的許多權(quán)衡折衷。 電池與電容器的比較 依靠電池提供后備電源的系統(tǒng)要求始終有滿充電電池可供使用，電池需要具備合適的容量以在電源恢復(fù)之前使易失性存儲(chǔ)器 “保活” 抑或保持報(bào)警聲響不斷。通常，采用電池后備的系統(tǒng)會(huì)在主電源失效時(shí)進(jìn)入一種低功率待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)只有關(guān)鍵的易失性存儲(chǔ)器或系統(tǒng)的報(bào)警部分處于受電狀態(tài)。由于電源故障的持續(xù)時(shí)間不可預(yù)知，因而此類系統(tǒng)需要采用超大的電池以消除在斷電時(shí)間過長的情況下發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的可能性。 基于電容器的后備系統(tǒng)運(yùn)用了一種不同的方法。與基于電池的系統(tǒng)在整個(gè)后備期間連續(xù)供電不同，基于電容器的系統(tǒng)僅需要短期后備電源，以便將易失性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至閃存器，或者在最短的必要時(shí)間里提供 “電源瀕臨崩潰” 報(bào)警操作。一旦所需數(shù)據(jù)得到保存或電源故障報(bào)警信號(hào)正確地發(fā)出，電源恢復(fù)時(shí)間就不重要了。 這種方法擁有多項(xiàng)優(yōu)勢。首先，與電池有關(guān)的諸多折衷可以全部避免。而且，也不再需要針對(duì)最差的后備持續(xù)時(shí)間選擇過大的電能儲(chǔ)存元件。雖然基于電容器的系統(tǒng)其后備功率要求通常遠(yuǎn)高于基于電池的系統(tǒng)，但后備電能要求則往往低得多。由于后備解決方案的成本和尺寸常常主要取決于儲(chǔ)存元件，因此電容器型解決方案通常較小且較便宜。隨著能夠儲(chǔ)存大量電能的小型、較廉價(jià)超級(jí)電容器的涌現(xiàn)，可以用電容器取代電池來滿足不間斷供電要求的后備應(yīng)用大大增加了。 后備系統(tǒng)要求 所有基于電容器的后備系統(tǒng)都采用了很多常見的元件。為了從正確的電源給負(fù)載供電以及在從正常操作模式轉(zhuǎn)換至后備模式時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出警示信號(hào)，需要電源通路 (PowerPathTM) 控制和電源故障檢測功能。存儲(chǔ)電容器需要充電，而且最理想的是以快速高效的方式完成這一充電過程。由于需在后備電容器上存儲(chǔ)了足夠的電能之后才能實(shí)現(xiàn)正確的后備供電，所以許多應(yīng)用要求在系統(tǒng)啟動(dòng)并處于操作就緒狀態(tài)之前完成充電。因此，通常需要很高的充電電流，而由于超級(jí)電容器一般具有 2.7V 的最大工作電壓，所以常常有必要將多個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)堆疊起來使用。在這種場合中，必須在電容器充電期間為其提供平衡和保護(hù)，以避免由于過壓而導(dǎo)致其受損或使用壽命縮短。 圖 1 示出了 LTC3350 的簡化原理圖，其為一款專為適應(yīng)電容器后備應(yīng)用而特別設(shè)計(jì)的電容器充電器和后備控制器 IC。LTC3350 包括了提供面向需要電容器后備之應(yīng)用的完整、獨(dú)立后備控制器必需的所有特性。該器件能夠?yàn)樽疃?4 個(gè)串聯(lián)的電容器提供充電、平衡和保護(hù)。輸入電源故障門限、電容器充電電壓和穩(wěn)定的最小后備電壓均可利用外部電阻器來設(shè)置。此外，該器件還包含一個(gè)非常準(zhǔn)確的 14 位內(nèi)部測量 ADC，其負(fù)責(zé)監(jiān)視輸入、輸出以及電容器電壓和電流。內(nèi)部測量系統(tǒng)還監(jiān)測與后備電容器本身有關(guān)的參數(shù)，包括電容器組電壓、電容和電容器組 ESR (等效串聯(lián)電阻)。可通過一根兩線式 I2C 總線回讀所有的系統(tǒng)參數(shù)和故障狀態(tài)，并且設(shè)定合適的報(bào)警電平以在任何上述測量參數(shù)發(fā)生突變時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出警示信號(hào)。 圖1：高電流超級(jí)電容器充電器和后備控制器 超級(jí)電容器充電基礎(chǔ)知識(shí) 超級(jí)電容器的充電與電池的充電很相似，只有幾個(gè)要點(diǎn)例外。首先，完全放電的電容器在整個(gè)充電周期中都能以滿電流進(jìn)行充電，而電池則需要實(shí)施涓流充電直到電池達(dá)到一個(gè)規(guī)定的最小電壓為止。第二點(diǎn)是對(duì)于電容器來說不需要充電終止定時(shí)器。當(dāng)達(dá)到最終的 “浮動(dòng)” 電壓時(shí)，電容器就不能存儲(chǔ)更多的電荷了，充電必須停止。如果有兩個(gè)或更多的超級(jí)電容器串聯(lián)充電，那么各單元之間的任何電容失配都將在電容器組充電的過程中導(dǎo)致每個(gè)電容器兩端的電壓上升速率不同。必須布設(shè)額外的安全功能電路以確保所有電容器在充電周期中都不會(huì)超過其最大電壓額定值。此外還必須采用一種平衡系統(tǒng)，以保證當(dāng)電容器組充電完成時(shí)各個(gè)單元都被強(qiáng)制處于相同的電壓，并且不會(huì)隨著時(shí)間的推移而出現(xiàn)由于自放電差異而導(dǎo)致的漂離。這種單元間平衡處理可確保最大的電容器使用壽命。 LTC3350 中的充電電路包括一個(gè)高電流、同步降壓型控制器，其具有可利用一個(gè)電阻設(shè)置的最大充電電流和最大電容器組電壓 (圖 2)。由于充電器的供電電源與負(fù)載的供電電源是相同的，因此 LTC3350 還包含一個(gè)單獨(dú)的可編程輸入電流限制電路，其在重 VOUT 負(fù)載條件下將自動(dòng)地減小電容器的充電電流。內(nèi)部的低電流平衡器 (圖 2 中未示出) 強(qiáng)制所有單元彼此之間的電壓差異不超過 10mV (每個(gè)單元的最大電壓達(dá) 5V)。內(nèi)部保護(hù)分流器 (圖中也未示出) 將自動(dòng)減小充電電流，并把任何已經(jīng)達(dá)到 2.7V 默認(rèn)值或用戶設(shè)置的最大單元電壓之電容器周圍的剩余充電電流分流。此外，還可以通過軟件控制來減低電容器組充電電壓，以針對(duì)某種給定的后備電能要求優(yōu)化電容器的使用壽命。有關(guān)該主題的更多內(nèi)容如下。 圖2：正常操作期間的功率流 后備模式 一旦后備電容器組完成充電，系統(tǒng)就能提供后備電源了。充電模式和后備模式由 PFI (電源故障輸入) 引腳上的電壓來決定。如果 VIN 電壓下降以至 PFI 比較器發(fā)生低電平跳變，則器件將立即進(jìn)入后備模式 (圖 3)。VOUT 將隨著VIN 的下降而走低，而且一旦 VOUT 降至低于電容器組電壓，OUTFET 理想二極管將導(dǎo)通以阻止 VOUT 進(jìn)一步下降。當(dāng) VOUT 降到一個(gè)由 OUTFB 引腳上的電阻分壓器設(shè)置的電壓時(shí)，電容器充電器將作為一個(gè)同步升壓后備 DC/DC 轉(zhuǎn)換器反向運(yùn)作，其采用 VCAP 電容器組作為其輸入電源，并把 VOUT 作為其穩(wěn)定輸出。升壓后備轉(zhuǎn)換器將繼續(xù)運(yùn)行，直到它不再能夠支持 VOUT 負(fù)載條件且 VOUT 上的電壓下降至低于 4.5V UVLO 點(diǎn)為止。這可以使超級(jí)電容器組中幾乎所有的可用能量在后備期間轉(zhuǎn)移至負(fù)載，因?yàn)楫?dāng)電容器組電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 4.5V 時(shí)升壓電路將繼續(xù)運(yùn)行。圖 3 中還示出了一種典型的后備情形。在該實(shí)例中，由 4 個(gè)串聯(lián)電容器構(gòu)成的電容器組被充電至 10V，而且在后備模式中 VOUT 被調(diào)節(jié)至 8V 的最小值，直到后備電容器中的所有電能耗盡為止。 圖 3：后備模式中的 PowerPath 操作 “健康” 監(jiān)測確保了可靠性并優(yōu)化了性能 在需要短期后備電源的高可靠性系統(tǒng)中，必須儲(chǔ)存并可提供足夠的電能以在發(fā)生主電源故障之后立即執(zhí)行關(guān)鍵的功能。后備能量源輸送必要后備功率的能力是不可或缺的。超級(jí)電容器因其極高的單位體積電容和非常低的 ESR 而成為此類應(yīng)用的絕佳選擇。不過和電池一樣，其性能也會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。電容器使用壽命通常 (而多少有些隨意) 被定義為電容下降 30% 和 / 或 ESR 增加 100% 所需的時(shí)間。如圖 4 所示，電容器性能的劣化會(huì)由于高工作電壓和高溫而加快。由于電容和電容器 ESR 對(duì)于確保系統(tǒng)執(zhí)行可靠后備的能力均非常關(guān)鍵，因此系統(tǒng)應(yīng)能夠監(jiān)視和報(bào)告后備電容器老化過程中的 “健康狀況”，這一點(diǎn)是很重要。 圖 4：典型超級(jí)電容器使用壽命與溫度和電壓的關(guān)系 當(dāng)電容器組滿充電時(shí)，LTC3350 可自動(dòng)地以一種由用戶選擇的時(shí)間頻率對(duì)電容器組的電容和 ESR 進(jìn)行監(jiān)測。該器件采用一個(gè)精準(zhǔn)的電流源、精準(zhǔn)的定時(shí)電路及其內(nèi)部 14 位 ADC 來準(zhǔn)確地監(jiān)視電容器組的電容。在充電器被強(qiáng)制關(guān)斷的同時(shí)從電容器組的頂端獲取一個(gè)精確的編程電流。精確地測量電容器組下降 200mV 所需的時(shí)間，并利用這些參數(shù)計(jì)算電容器組的電容。一旦電容測試完成，隨即通過在高電流充電器運(yùn)行 (以對(duì)電容器組進(jìn)行再充電) 及不運(yùn)行的情況下測量電容器組電壓來實(shí)施 ESR 測試。采用充電器來完成此項(xiàng)測試可免除增設(shè)一個(gè)外部高功率測試負(fù)載的需要。充電器啟用時(shí)電容器組電壓的瞬間上升相當(dāng)于實(shí)測充電電流 x 電容器組 ESR。最新的電容和電容器 ESR 數(shù)值可以隨時(shí)通過I2C回讀。 一旦獲知了電容器組的電容和 ESR 值，確保給定應(yīng)用之可靠后備所需的最小電容器組電壓之計(jì)算就十分簡單了。由于大多數(shù)后備系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)都留有內(nèi)置裕量，所以把電容器組電壓從其標(biāo)稱值降低往往是安全的，由此可最大限度地延長電容器的壽命。這可以通過 LTC3350 VCAP 反饋 DAC 電壓的軟件控制輕松地實(shí)現(xiàn)。 結(jié)論 超級(jí)電容器兼具非常高的電容和非常低的 ESR，因而使其能夠?yàn)閼?yīng)對(duì)諸如后備電源解決方案等常見問題提供全新的方法。然而，性能的大幅躍升往往伴隨著權(quán)衡取舍。為了有效地利用超級(jí)電容器常常必需進(jìn)行電容器單元的串接，這反過來又需要保護(hù)和平衡電路。雖然超級(jí)電容器的循環(huán)壽命和使用壽命總體而言可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同類競爭的電池技術(shù)，但是電容器電壓和溫度的小幅變化均有可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能在其運(yùn)作期間發(fā)生巨大的波動(dòng)。為此，在任何基于電容器的后備系統(tǒng)中，“健康” 監(jiān)測通常都是一種必需具備的功能。LTC3350 等新型產(chǎn)品旨在解決諸如此類與超級(jí)電容器后備應(yīng)用尤為相關(guān)的問題，并為開發(fā)可靠、靈活、高性能的后備解決方案提供了盡可能簡單的方法。 |
