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基于電容、超級電容或者電池,全面應對嵌入式系統的掉電挑戰

在嵌入式系統依賴持續供電的電信、工業和汽車應用中,數據丟失是引人關切的。供電的突然中斷會導致正在對硬盤驅動器和閃存器進行讀寫操作時的數據受損。通常,嵌入式系統僅需 10ms 至50ms的時間對易失性數據進行備份以防止發生丟失。盡管如此,不可靠的電源使之難以實現。長的電源線、電量耗盡的電池、未調整的AC 適配器、拋載和大功率電動機的開關操作都會導致電源的不可靠。

假如沒有某種形式的安全網 (即某種短期電源保持系統,其可存儲充足的電能以提供備用電源,直到可以更換電池或可把數據存儲在永久性存儲器中為止),則電源的不可靠會導致存儲在易失性存儲器中的重要數據必定丟失。而應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時間,從而確保高可靠性的系統持續運作,或者提供某種替代形式電源,以針對主電源未接入 (主電源發生供電中斷)場合的備份計劃。

電源儲存的基本介質——電容&電池特性分析

既然嵌入式系統需要備用電源,那么該用什么作為這種電源的能量儲存介質呢? 傳統上,人們一直選擇的是電容和電池

電容技術在電力傳輸和配送應用中發揮作用已有數十年之久。而隨著近十年的研究和開發,電容的設計和容量有了更加顯著的進步。這些新型電容被稱為超級電容,非常適合用于電池儲能和備用電源系統。其能量密度非常高,同時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峰值功率,并且充電循環次數更多,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間的應用而言,電池則更有優勢。

表1總結了超級電容、普通電容和電池的優缺點。

基于電容、超級電容或者電池,全面應對嵌入式系統的掉電挑戰

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的備用電源。儲存介質選定了,該怎么用在具體系統中呢?其電路設計有啥差異?ADI公司就為備用電源系統推出了眾多專為滿足該應用需求而特別設計的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應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。其用一個內置雙向同步轉換器提供高效率電池充電以及大電流、高效率后備電源。當外部電源可用時,該器件作為降壓型電池充電器工作,用于單節鋰離子或LiFePO4電池,同時優先為系統負載供電。當輸入電源降至低于可調電源故障輸入(PFI)門限時,LTC4040就作為升壓型穩壓器工作,能夠從后備電池向系統輸出提供高達 2.5A 電流。

在發生電源故障時,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 的典型應用包括汽車 GPS 數據記錄儀、車載多媒體系統、收費系統、安防系統、通信系統、工業備份和USB供電型設備。

基于電容、超級電容或者電池,全面應對嵌入式系統的掉電挑戰

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,該器件具主動充電平衡功能,適合單節或兩節串聯超級電容器。其專有的低噪聲降壓-升壓型拓撲使該器件相當于兩個單獨的開關穩壓器,從而減小了尺寸和成本,并降低了復雜性。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存的能量供電,保持一個 1.71V 至 5.25V 的系統電壓 (VSYS)。而在充電模式中,當主電源系統有效時,LTC3110 可自主地或通過用戶命令將功率流動改為相反方向,利用穩定的系統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% 的準確度設定至高達 2A,從而防止系統電源過載,同時最大限度地縮短電容器再充電時間。

基于電容、超級電容或者電池,全面應對嵌入式系統的掉電挑戰

基于超級電容器的 LTC3110 備份解決方案 (VIN 高達 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。當輸入電壓存在時,LTC3643 在升壓模式中給存儲電容器 CSTORAGE 充電 (至高達 40V)。當輸入電壓被中斷時,LTC3643 在降壓模式中把存儲電容器的電量釋放至負載,從而將負載上的標稱電壓 (VSYS) 保持在 3V 至 17V 的范圍內。

后備存儲電源軌相對高的電壓增加了該解決方案的儲能 (E = CV2/2),并使得可把電解電容器用作一種后備儲能組件。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 的另一個優點是其能夠支持 12V 系統,在許多汽車和工業應用中,12V 是默認的標準電壓軌。

基于電容、超級電容或者電池,全面應對嵌入式系統的掉電挑戰

LTC3643 高電壓備份解決方案;VIN 高達 17V

如圖所示,LTM 4607 μModule降壓-升壓型轉換器充當前端穩壓器,從一個 5V 至 36V 輸入 (例如:汽車電池) 產生 12V (高達 5A電流) 輸出。只要輸入電壓維持在規定的范圍之內,該降壓-升壓型穩壓器就可保持一個穩定的 12V 輸出,從而使得 VSYS 能安全度過汽車冷車發動和拋載等欠壓和過壓情況。當輸入電壓被中斷或脫離了該范圍時,基于 LTC3643 的后備電源解決方案將保持 VSYS 系統電壓以提供短期的數據備份。

“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間且對成本敏感的項目,下圖中的解決方案可通過縮短保持時間來換取最低的組件成本。該方案以一般情況下充當降壓型轉換器的 LTC3649 為中心。但是在這里,LTC3649 在輸入電壓斷接時轉而執行升壓轉換操作。LTC3649 通過對其自己的輸出電容器進行放電以在關鍵負載的端子上保持編程電壓。

基于電容、超級電容或者電池,全面應對嵌入式系統的掉電挑戰

LTC3649 “較廉價的” 備份解決方案,VIN 高達 60V

LTC3649是一款具有集成功率MOSFET的單芯片降壓調節器。它具有高效率和低靜態電流,這在許多電池供電系統中非常重要。它還具有很高的通用性、可編程頻率、高達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用品的設計,特別是考慮到其作為保持電路的潛質時。

結論

每當系統要求即使在主電源發生故障的情況下也始終可用時,擁有后備電源總是個好主意。而無論儲存介質是超級電容、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。隨著電容及電池技術的進一步發展,電源IC性能的繼續優化也將為后備電源增加更多的市場和應用潛能。

信息來源:鉭電容 陶瓷電容

 

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