在嵌入式系統(tǒng)依賴持續(xù)供電的電信、工業(yè)和汽車應(yīng)用中，數(shù)據(jù)丟失是引人關(guān)切的。供電的突然中斷會(huì)導(dǎo)致正在對硬盤驅(qū)動(dòng)器和閃存器進(jìn)行讀寫操作時(shí)的數(shù)據(jù)受損。通常，嵌入式系統(tǒng)僅需 10ms 至50ms的時(shí)間對易失性數(shù)據(jù)進(jìn)行備份以防止發(fā)生丟失。盡管如此，不可靠的電源使之難以實(shí)現(xiàn)。長的電源線、電量耗盡的電池、未調(diào)整的AC 適配器、拋載和大功率電動(dòng)機(jī)的開關(guān)操作都會(huì)導(dǎo)致電源的不可靠。
假如沒有某種形式的安全網(wǎng) (即某種短期電源保持系統(tǒng)，其可存儲(chǔ)充足的電能以提供備用電源，直到可以更換電池或可把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在永久性存儲(chǔ)器中為止)，則電源的不可靠會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)器中的重要數(shù)據(jù)必定丟失。而應(yīng)對此類情況最常用的方法是使用不間斷電源以覆蓋這些短暫的故障停機(jī)時(shí)間，從而確保高可靠性的系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)作，或者提供某種替代形式電源，以針對主電源未接入 (主電源發(fā)生供電中斷)場合的備份計(jì)劃。
電源儲(chǔ)存的基本介質(zhì)——電容&電池特性分析
既然嵌入式系統(tǒng)需要備用電源，那么該用什么作為這種電源的能量儲(chǔ)存介質(zhì)呢? 傳統(tǒng)上，人們一直選擇的是電容和電池
電容技術(shù)在電力傳輸和配送應(yīng)用中發(fā)揮作用已有數(shù)十年之久。而隨著近十年的研究和開發(fā)，電容的設(shè)計(jì)和容量有了更加顯著的進(jìn)步。這些新型電容被稱為超級電容，非常適合用于電池儲(chǔ)能和備用電源系統(tǒng)。其能量密度非常高，同時(shí)具有快速釋放高能量并快速充電的能力。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。而電池提供的能量比超級電容器多得多，因此對于需要后備電源以延長工作時(shí)間的應(yīng)用而言，電池則更有優(yōu)勢。
表1總結(jié)了超級電容、普通電容和電池的優(yōu)缺點(diǎn)。
因此，基于使用場景的不同，超級電容、電池或二者的組合幾乎可以用作所有電子系統(tǒng)的備用電源。儲(chǔ)存介質(zhì)選定了，該怎么用在具體系統(tǒng)中呢？其電路設(shè)計(jì)有啥差異？ADI公司就為備用電源系統(tǒng)推出了眾多專為滿足該應(yīng)用需求而特別設(shè)計(jì)的IC，本文給出了該公司針對電池及超級電容及電解電容的備用電源管理電路，對比分析可以為相關(guān)應(yīng)用找對最佳的備用電源方案。
基于電池的電源保持解決方案
LTC4040是一款面向 3.5V 至 5V 電源軌的完整鋰電池后備電源管理系統(tǒng)。其用一個(gè)內(nèi)置雙向同步轉(zhuǎn)換器提供高效率電池充電以及大電流、高效率后備電源。當(dāng)外部電源可用時(shí)，該器件作為降壓型電池充電器工作，用于單節(jié)鋰離子或LiFePO4電池，同時(shí)優(yōu)先為系統(tǒng)負(fù)載供電。當(dāng)輸入電源降至低于可調(diào)電源故障輸入(PFI)門限時(shí)，LTC4040就作為升壓型穩(wěn)壓器工作，能夠從后備電池向系統(tǒng)輸出提供高達(dá) 2.5A 電流。
在發(fā)生電源故障時(shí)，該器件的電源通路 (PowerPath) 控制在輸入電源和后備電源之間提供反向隔離和無縫切換。LTC4040 的典型應(yīng)用包括汽車 GPS 數(shù)據(jù)記錄儀、車載多媒體系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)備份和USB供電型設(shè)備。
具4.22V PFI 門限的 4.5V后備電源
基于超級電容的電源保持解決方案
LTC3110 是一款雙向、輸入電流可編程的降壓-升壓型超級電容器充電器，該器件具主動(dòng)充電平衡功能，適合單節(jié)或兩節(jié)串聯(lián)超級電容器。其專有的低噪聲降壓-升壓型拓?fù)涫乖撈骷喈?dāng)于兩個(gè)單獨(dú)的開關(guān)穩(wěn)壓器，從而減小了尺寸和成本，并降低了復(fù)雜性。LTC3110 可于后備和充電兩種模式工作。
在后備模式中，該器件由超級電容器儲(chǔ)存的能量供電，保持一個(gè) 1.71V 至 5.25V 的系統(tǒng)電壓 (VSYS)。而在充電模式中，當(dāng)主電源系統(tǒng)有效時(shí)，LTC3110 可自主地或通過用戶命令將功率流動(dòng)改為相反方向，利用穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓給超級電容器充電并做出平衡。另外，該器件還具備充電模式平均輸入電流限制，能夠以 ±2% 的準(zhǔn)確度設(shè)定至高達(dá) 2A，從而防止系統(tǒng)電源過載，同時(shí)最大限度地縮短電容器再充電時(shí)間。
基于超級電容器的 LTC3110 備份解決方案 (VIN 高達(dá) 5.25V)
基于電解電容的電源保持解決方案
下圖中的解決方案則以 LTC3643 雙向后備電源為中心。當(dāng)輸入電壓存在時(shí)，LTC3643 在升壓模式中給存儲(chǔ)電容器 CSTORAGE 充電 (至高達(dá) 40V)。當(dāng)輸入電壓被中斷時(shí)，LTC3643 在降壓模式中把存儲(chǔ)電容器的電量釋放至負(fù)載，從而將負(fù)載上的標(biāo)稱電壓 (VSYS) 保持在 3V 至 17V 的范圍內(nèi)。
后備存儲(chǔ)電源軌相對高的電壓增加了該解決方案的儲(chǔ)能 (E = CV2/2)，并使得可把電解電容器用作一種后備儲(chǔ)能組件。電解電容器便宜且廣泛地使用，因而顯著地降低了后備解決方案的成本。LTC3643 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其能夠支持 12V 系統(tǒng)，在許多汽車和工業(yè)應(yīng)用中，12V 是默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓軌。
LTC3643 高電壓備份解決方案；VIN 高達(dá) 17V
如圖所示，LTM 4607 μModule降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器充當(dāng)前端穩(wěn)壓器，從一個(gè) 5V 至 36V 輸入 (例如：汽車電池) 產(chǎn)生 12V (高達(dá) 5A電流) 輸出。只要輸入電壓維持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，該降壓-升壓型穩(wěn)壓器就可保持一個(gè)穩(wěn)定的 12V 輸出，從而使得 VSYS 能安全度過汽車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)和拋載等欠壓和過壓情況。當(dāng)輸入電壓被中斷或脫離了該范圍時(shí)，基于 LTC3643 的后備電源解決方案將保持 VSYS 系統(tǒng)電壓以提供短期的數(shù)據(jù)備份。
“輕裝上陣”的電源保持解決方案
而對于那些要求相對較短保持時(shí)間且對成本敏感的項(xiàng)目，下圖中的解決方案可通過縮短保持時(shí)間來換取最低的組件成本。該方案以一般情況下充當(dāng)降壓型轉(zhuǎn)換器的 LTC3649 為中心。但是在這里，LTC3649 在輸入電壓斷接時(shí)轉(zhuǎn)而執(zhí)行升壓轉(zhuǎn)換操作。LTC3649 通過對其自己的輸出電容器進(jìn)行放電以在關(guān)鍵負(fù)載的端子上保持編程電壓。
LTC3649 “較廉價(jià)的” 備份解決方案，VIN 高達(dá) 60V
LTC3649是一款具有集成功率MOSFET的單芯片降壓調(diào)節(jié)器。它具有高效率和低靜態(tài)電流，這在許多電池供電系統(tǒng)中非常重要。它還具有很高的通用性、可編程頻率、高達(dá)60 V的寬 VIN 范圍以及低至接地的輸出電壓范圍。它簡化了汽車和工業(yè)用品的設(shè)計(jì)，特別是考慮到其作為保持電路的潛質(zhì)時(shí)。
結(jié)論
每當(dāng)系統(tǒng)要求即使在主電源發(fā)生故障的情況下也始終可用時(shí)，擁有后備電源總是個(gè)好主意。而無論儲(chǔ)存介質(zhì)是超級電容、電解電容、抑或是電池的情況下，ADI都能夠提供簡易后備電源的可用 IC選項(xiàng)。隨著電容及電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電源IC性能的繼續(xù)優(yōu)化也將為后備電源增加更多的市場和應(yīng)用潛能。
