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基于电容、超级电容或者电池,全面应对嵌入式系统的掉电挑战

在嵌入式系统依赖持续供电的电信、工业和汽车应用中,数据丢失是引人关切的。供电的突然中断会导致正在对硬盘驱动器和闪存器进行读写操作时的数据受损。通常,嵌入式系统仅需 10ms 至50ms的时间对易失性数据进行备份以防止发生丢失。尽管如此,不可靠的电源使之难以实现。长的电源线、电量耗尽的电池、未调整的AC 适配器、抛载和大功率电动机的开关操作都会导致电源的不可靠。

假如没有某种形式的安全网 (即某种短期电源保持系统,其可存储充足的电能以提供备用电源,直到可以更换电池或可把数据存储在永久性存储器中为止),则电源的不可靠会导致存储在易失性存储器中的重要数据必定丢失。而应对此类情况最常用的方法是使用不间断电源以覆盖这些短暂的故障停机时间,从而确保高可靠性的系统持续运作,或者提供某种替代形式电源,以针对主电源未接入 (主电源发生供电中断)场合的备份计划。

电源储存的基本介质——电容&电池特性分析

既然嵌入式系统需要备用电源,那么该用什么作为这种电源的能量储存介质呢? 传统上,人们一直选择的是电容和电池

电容技术在电力传输和配送应用中发挥作用已有数十年之久。而随着近十年的研究和开发,电容的设计和容量有了更加显著的进步。这些新型电容被称为超级电容,非常适合用于电池储能和备用电源系统。其能量密度非常高,同时具有快速释放高能量并快速充电的能力。与电池相比,超级电容以更小的尺寸提供更高的突发峰值功率,并且充电循环次数更多,工作温度范围更宽。而电池提供的能量比超级电容器多得多,因此对于需要后备电源以延长工作时间的应用而言,电池则更有优势。

表1总结了超级电容、普通电容和电池的优缺点。

基于电容、超级电容或者电池,全面应对嵌入式系统的掉电挑战

因此,基于使用场景的不同,超级电容、电池或二者的组合几乎可以用作所有电子系统的备用电源。储存介质选定了,该怎么用在具体系统中呢?其电路设计有啥差异?ADI公司就为备用电源系统推出了众多专为满足该应用需求而特别设计的IC,本文给出了该公司针对电池及超级电容及电解电容的备用电源管理电路,对比分析可以为相关应用找对最佳的备用电源方案。

基于电池的电源保持解决方案

LTC4040是一款面向 3.5V 至 5V 电源轨的完整锂电池后备电源管理系统。其用一个内置双向同步转换器提供高效率电池充电以及大电流、高效率后备电源。当外部电源可用时,该器件作为降压型电池充电器工作,用于单节锂离子或LiFePO4电池,同时优先为系统负载供电。当输入电源降至低于可调电源故障输入(PFI)门限时,LTC4040就作为升压型稳压器工作,能够从后备电池向系统输出提供高达 2.5A 电流。

在发生电源故障时,该器件的电源通路 (PowerPath) 控制在输入电源和后备电源之间提供反向隔离和无缝切换。LTC4040 的典型应用包括汽车 GPS 数据记录仪、车载多媒体系统、收费系统、安防系统、通信系统、工业备份和USB供电型设备。

基于电容、超级电容或者电池,全面应对嵌入式系统的掉电挑战

具4.22V PFI 门限的 4.5V后备电源

基于超级电容的电源保持解决方案

LTC3110 是一款双向、输入电流可编程的降压-升压型超级电容器充电器,该器件具主动充电平衡功能,适合单节或两节串联超级电容器。其专有的低噪声降压-升压型拓扑使该器件相当于两个单独的开关稳压器,从而减小了尺寸和成本,并降低了复杂性。LTC3110 可于后备和充电两种模式工作。

在后备模式中,该器件由超级电容器储存的能量供电,保持一个 1.71V 至 5.25V 的系统电压 (VSYS)。而在充电模式中,当主电源系统有效时,LTC3110 可自主地或通过用户命令将功率流动改为相反方向,利用稳定的系统电压给超级电容器充电并做出平衡。另外,该器件还具备充电模式平均输入电流限制,能够以 ±2% 的准确度设定至高达 2A,从而防止系统电源过载,同时最大限度地缩短电容器再充电时间。

基于电容、超级电容或者电池,全面应对嵌入式系统的掉电挑战

基于超级电容器的 LTC3110 备份解决方案 (VIN 高达 5.25V)

基于电解电容的电源保持解决方案 

下图中的解决方案则以 LTC3643 双向后备电源为中心。当输入电压存在时,LTC3643 在升压模式中给存储电容器 CSTORAGE 充电 (至高达 40V)。当输入电压被中断时,LTC3643 在降压模式中把存储电容器的电量释放至负载,从而将负载上的标称电压 (VSYS) 保持在 3V 至 17V 的范围内。

后备存储电源轨相对高的电压增加了该解决方案的储能 (E = CV2/2),并使得可把电解电容器用作一种后备储能组件。电解电容器便宜且广泛地使用,因而显著地降低了后备解决方案的成本。LTC3643 的另一个优点是其能够支持 12V 系统,在许多汽车和工业应用中,12V 是默认的标准电压轨。

基于电容、超级电容或者电池,全面应对嵌入式系统的掉电挑战

LTC3643 高电压备份解决方案;VIN 高达 17V

如图所示,LTM 4607 μModule降压-升压型转换器充当前端稳压器,从一个 5V 至 36V 输入 (例如:汽车电池) 产生 12V (高达 5A电流) 输出。只要输入电压维持在规定的范围之内,该降压-升压型稳压器就可保持一个稳定的 12V 输出,从而使得 VSYS 能安全度过汽车冷车发动和抛载等欠压和过压情况。当输入电压被中断或脱离了该范围时,基于 LTC3643 的后备电源解决方案将保持 VSYS 系统电压以提供短期的数据备份。

“轻装上阵”的电源保持解决方案

而对于那些要求相对较短保持时间且对成本敏感的项目,下图中的解决方案可通过缩短保持时间来换取最低的组件成本。该方案以一般情况下充当降压型转换器的 LTC3649 为中心。但是在这里,LTC3649 在输入电压断接时转而执行升压转换操作。LTC3649 通过对其自己的输出电容器进行放电以在关键负载的端子上保持编程电压。

基于电容、超级电容或者电池,全面应对嵌入式系统的掉电挑战

LTC3649 “较廉价的” 备份解决方案,VIN 高达 60V

LTC3649是一款具有集成功率MOSFET的单芯片降压调节器。它具有高效率和低静态电流,这在许多电池供电系统中非常重要。它还具有很高的通用性、可编程频率、高达60 V的宽 VIN 范围以及低至接地的输出电压范围。它简化了汽车和工业用品的设计,特别是考虑到其作为保持电路的潜质时。

结论

每当系统要求即使在主电源发生故障的情况下也始终可用时,拥有后备电源总是个好主意。而无论储存介质是超级电容、电解电容、抑或是电池的情况下,ADI都能够提供简易后备电源的可用 IC选项。随着电容及电池技术的进一步发展,电源IC性能的继续优化也将为后备电源增加更多的市场和应用潜能。

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