您擁有一項(xiàng) B 計(jì)劃嗎?

引言

作為一名科幻小說迷，我是 1950 年代末好萊塢低預(yù)算 Ed Wood 電影這一流派的 “粉絲”。我最喜歡的其中一部影片是 “Plan 9 from Outer Space”，它描述了外星人來到地球以阻止人類建造一種有可能摧毀整個(gè)宇宙的末日武器。然而，事情并沒有完全按計(jì)劃進(jìn)行，而且外星人被消滅了。顯然，外星人事先并未制定一項(xiàng) B 計(jì)劃以防九號(hào)計(jì)劃不能如期奏效!

利用該情節(jié)主線可以容易地得出一個(gè)推論，以應(yīng)用于不管其外部工作條件怎樣都必須繼續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)的電子系統(tǒng)。換句話說，其電源中的任何毛刺干擾 (無論是瞬間、幾秒鐘、乃至數(shù)分鐘) 都必須在其設(shè)計(jì)過程中予以考慮。應(yīng)對(duì)此類情況最常用的方法是使用不間斷電源 (UPS) 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。同樣，如今的許多應(yīng)急和備用系統(tǒng)被用于為建筑系統(tǒng)提供后備電源，以保障安全系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備能夠在停電 (不管是什么起因) 期間保持其正常工作。另一個(gè)明顯的例子可以很容易地在我們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛使用的手持式電子設(shè)備中找到。由于可靠性是頭等重要的，因此手持式設(shè)備專為在正常情況下利用輕量型電源實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)作而精心設(shè)計(jì)。但是，設(shè)計(jì)中再多的謹(jǐn)慎仔細(xì)也無法阻止它們?cè)谌祟? (乃至外星人) 的手上將會(huì)遭受的 “粗暴對(duì)待”。例如：當(dāng)工廠的工人意外地掉落條形碼掃描儀而造成其電池甩出時(shí)，會(huì)發(fā)生什么呢? 此類事件以電子方式是無法預(yù)知的，而且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)，則存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)器中的重要數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。

這些實(shí)例清楚地表明了對(duì)于提供某種替代形式電源的需要，旨在應(yīng)對(duì)主電源發(fā)生供電中斷的情形。換言之，必須制定一項(xiàng)專門針對(duì)主電源未接入 (不管是什么原因) 之場合的備份計(jì)劃。我將此稱為 “B 計(jì)劃”。

存儲(chǔ)媒體

既然已確認(rèn)要對(duì)任何給定的系統(tǒng)提供后備電源，那么問題就出現(xiàn)了：用什么作為這種電源的存儲(chǔ)媒體呢? 傳統(tǒng)上，人們一直選擇的是電容器和電池。

我認(rèn)為：公平地說，幾十年來電容器技術(shù)在功率傳輸和供電應(yīng)用中起到了重要的作用。例如，基于薄膜和石油的傳統(tǒng)電容器設(shè)計(jì)可執(zhí)行多種功能，例如：功率因數(shù)校正和電壓平衡。然而，在過去的 10 年里人們開展了大量的研發(fā)工作，從而在電容器設(shè)計(jì)和能力方面取得了重大的進(jìn)展。這些被稱為 “超級(jí)電容器”，而且它們非常適用于電池儲(chǔ)能和后備電源系統(tǒng)。超級(jí)電容器就其總儲(chǔ)能而言或許是有限的;不過，它們具有 “高能量密度”。此外，它們還能夠快速釋放高水平的能量并迅速完成再充電。

超級(jí)電容器還擁有緊湊、堅(jiān)固和可靠的特點(diǎn)，并能支持后備系統(tǒng)針對(duì)上述短期電源丟失等情況的要求。它們可以容易地并聯(lián)、或串聯(lián)堆疊、或甚至是此二者的組合，以提供終端應(yīng)用所需的必要電壓和電流。然而，超級(jí)電容器并不僅僅是一種電容水平非常高的電容器。與標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷、鉭或電解電容器相比，超級(jí)電容器可在外形和重量相似的情況下提供較高的能量密度和較高的電容。而且，雖然超級(jí)電容器需要一些 “照看和饋電”，但是它們?cè)谝蟠箅娏?/ 短持續(xù)時(shí)間后備電源的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中逐步地增廣乃至取代了電池。

此外，它們還在多種需要大電流突發(fā)脈沖或短暫電池后備供電 (例如：UPS 系統(tǒng)) 的高峰值功率和便攜式應(yīng)用中日益找到了用武之地。相比于電池，超級(jí)電容器能以較小的外形尺寸提供較高峰值功率突發(fā)脈沖，并在較寬的工作溫度范圍內(nèi)具有較長的充電循環(huán)壽命?？赏ㄟ^降低電容器的 “top-off” 電壓和避免高溫 (>50°C) 以最大限度地延長超級(jí)電容器壽命。

另一方面，電池雖能存儲(chǔ)許多的能量，但在功率密度和供電方面是有限的。由于電池內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)之原因，它們?cè)诔潆姶螖?shù)上受到了限制。因此，當(dāng)在很長的時(shí)間里提供適中功率量時(shí)它們是最有效率的，因?yàn)榉浅？斓貜钠涑槿《喟才嗟碾娏鲗?yán)重地限制其有效工作壽命。表 1 概要列出了超級(jí)電容器、電容器和電池的優(yōu)缺點(diǎn)。

表 1：超級(jí)電容器與電容器和電池的比較

新型后備電源解決方案

既然我們已經(jīng)確定超級(jí)電容器、電池和 / 或這兩者的組合可在幾乎任何電子系統(tǒng)中用作后備電源的選項(xiàng)，那么什么是可用的 IC 解決方案呢? 結(jié)果是：凌力爾特?fù)碛斜姸鄬闈M足該應(yīng)用需要而特別設(shè)計(jì)的 IC。我想特別介紹的三款解決方案是 LTC4040、LTC3643 和 LTC3110。

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)，這類電源軌在主電源出現(xiàn)故障時(shí)必須保持有效。電池提供的能量比超級(jí)電容器多得多，因此對(duì)于需要后備電源以延長工作時(shí)間的應(yīng)用而言，電池更有優(yōu)勢(shì)。LTC4040 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)用包括艦隊(duì)和資產(chǎn)跟蹤、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。典型應(yīng)用電路原理圖請(qǐng)見圖 1。

圖 1：具 4.22V PFI 門限的 4.5V 后備電源

LTC4040 還包括可選的過壓保護(hù) (OVP)，以針對(duì)高于 60V 的輸入電壓，用一個(gè)外部FET 保護(hù)該 IC。其可調(diào)輸入電流限制功能允許用電流受限電源工作，同時(shí)優(yōu)先提供系統(tǒng)負(fù)載電流而不是電池充電電流。一個(gè)外部斷接開關(guān)在備份時(shí)隔離主輸入電源和系統(tǒng)。LTC4040 的 2.5A 電池充電器提供 8 個(gè)針對(duì)鋰離子和 LiFePO₄ 電池而優(yōu)化的可選充電電壓。另外，該器件還包括輸入電流監(jiān)視、輸入功耗指示器和系統(tǒng)功耗指示器。

LTC3643 是一款雙向、高壓升壓型電容器充電器，該器件可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為降壓型穩(wěn)壓器以提供系統(tǒng)后備電源。專有的單電感器拓?fù)浼闪穗娫赐? (PowerPath) 功能，可完成兩個(gè)獨(dú)立的開關(guān)穩(wěn)壓器工作，從而減小了尺寸、成本和復(fù)雜性。LTC3643 以兩種模式運(yùn)行：升壓充電模式和降壓后備模式。在充電模式中，此器件從介于 3V 至 17V 的輸入電源以高達(dá) 2A 和高達(dá) 40V 電壓給一個(gè)電解電容器陣列進(jìn)行高效充電。在后備模式中，當(dāng)輸入電源電壓降至低于可編程的電源故障輸入 (PFI) 門限時(shí)，升壓型充電器反向運(yùn)作以用作一個(gè)同步降壓型穩(wěn)壓器，從后備電容器供電并保持系統(tǒng)電源軌電壓。在備份時(shí)，電流限值可設(shè)置在 2A 至 4A 范圍內(nèi)，從而使該器件非常適合高能量、持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短的后備電容器系統(tǒng)、電源故障后備系統(tǒng)、固態(tài)硬盤以及電池組充電應(yīng)用。簡化的應(yīng)用電路原理圖請(qǐng)見圖 2。

圖 2：采用一個(gè)電解電容器提供后備電源的簡化 LTC3463 原理圖

當(dāng)給后備電容器充電時(shí)，LTC3643 可使用一個(gè)外部低值檢測電阻器以保持從輸入電源的準(zhǔn)確電流限制，同時(shí)排定向系統(tǒng)負(fù)載供電的優(yōu)先順序。輸入電流限制可以利用一個(gè) 50mV 門限的檢測電阻器設(shè)置，從而可防止系統(tǒng)電源過載，同時(shí)盡量地縮短電容器再充電時(shí)間。轉(zhuǎn)換器以 1MHz 頻率工作，可最大限度地減小外部組件尺寸。穩(wěn)壓時(shí)的低靜態(tài)電流突發(fā)模式 (Burst Mode^®) 操作最大限度提高了后備電容器的能量利用。通過向一個(gè)外部 PMOS 開關(guān)提供柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，LTC3643 在輸入電源提供了理想二極管工作。這實(shí)現(xiàn)了高效率供電，同時(shí)在后備模式時(shí)，在輸入電源和系統(tǒng)負(fù)載之間提供徹底的隔離。

LTC3110 是一款雙向、輸入電流可編程的降壓-升壓型超級(jí)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(jí)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(jí)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 (V_SYS)。此外，超級(jí)電容器存儲(chǔ)輸入 (V_CAP) 具備實(shí)用的寬工作范圍，可從 5.5V 直到低至 0.1V。這確保實(shí)際儲(chǔ)存的全部超級(jí)電容器能量都能得到利用，因此延長了后備時(shí)間或減小了存儲(chǔ)電容器尺寸。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(jí)電容器充電并做出平衡。降壓-升壓型 PWM (脈沖寬度調(diào)制器) 使 V_CAP 高效地充電至高于或低于 V_SYS。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。圖 3 示出了 LTC3110 在后備電源應(yīng)用中的功能。

LTC3110 的主動(dòng)充電平衡功能免除了消耗能量的外部鎮(zhèn)流電阻器的恒定消耗，甚至在電容器失配時(shí)也可確保充電，并減少再充電的頻度?？删幊痰淖畲箅娙萜麟妷赫{(diào)節(jié)可主動(dòng)地平衡和限制串聯(lián)電容器組中每個(gè)電容器兩端的電壓為編程值的一半，從而確保隨電容器老化并逐漸出現(xiàn)容量失配時(shí)也能可靠地工作。低 R_DS(ON)、低柵極電荷同步開關(guān)提供了高效率轉(zhuǎn)換，以最大限度縮短存儲(chǔ)組件的充電時(shí)間。

圖 3：簡化的 LTC3110 原理圖示出了其雙向功能

LTC3110 的輸入電流限值和最大電容器電壓可利用電阻器進(jìn)行編程。平均輸入電流在 0.125A 至 2A 設(shè)定范圍內(nèi)得到準(zhǔn)確地控制。引腳可選的突發(fā)模式操作提高了輕負(fù)載效率，并將待機(jī)電流減小至僅為 40μA，以及把停機(jī)電流降至低于 1μA。LTC3110 的其他特點(diǎn)包括 1.2MHz 的高開關(guān)頻率 (可最大限度地縮小外部組件尺寸)、熱過載保護(hù)、兩個(gè)用于方向控制和充電結(jié)束的電壓監(jiān)控器、以及一個(gè)具有集電極開路輸出的通用比較器 (用于和微控制器或微處理器相連接)。

結(jié)論

每當(dāng)您的設(shè)計(jì)要求一個(gè)系統(tǒng)即使在主電源發(fā)生故障的情況下也始終可用時(shí)，擁有一種后備電源總是個(gè)好主意。幸運(yùn)的是，無論存儲(chǔ)媒體是超級(jí)電容器、電解電容器、抑或甚至是電池，都有很多能夠提供簡易后備電源的可用 IC 選項(xiàng)。因此，不要像文章開頭說的外星人那樣，而是應(yīng)確保自己手握一項(xiàng) B 計(jì)劃。