如何保持电源连续性

作者：Tony Armstrong and Steve Knoth

在当今持续连接的世界中，许多电子系统始终运行是司空见惯的，无论其外部环境或操作条件如何。换句话说，系统电源中的任何故障，无论是瞬间、几秒钟还是几分钟，都必须在设计过程中考虑在内。处理这种情况的最常见方法是使用不间断电源（UPS）来弥补这些短暂的停机时间，从而确保系统的高可靠性和连续运行。同样，当今的许多应急和备用系统都用于为建筑系统提供备用电源，以确保安全系统和关键设备能够在停电期间保持其运行 - 无论根本原因是什么。

在我们日常生活中无处不在的手持电子设备中可以很容易地找到明显的例子。由于可靠性至关重要，因此手持设备采用轻质电源精心设计，可在正常条件下可靠使用。但是，再仔细的工程也无法阻止他们在人们手中遭受的虐待。例如，当工厂工人掉落手持便携式扫描设备，导致其电池脱落时会发生什么？此类事件在电子上是不可预测的，存储在易失性存储器中的重要数据如果没有某种形式的安全网（即某种短期电源保持系统）就会丢失，该系统存储足够的能量来提供待机电源，直到可以更换电池或数据存储在永久存储器中。

这个例子清楚地表明，电子系统中需要一种替代形式的电源，以防其主电源中断。

在汽车电子系统中，有许多应用即使在汽车停放（发动机不运转）时也需要持续供电，例如远程无钥匙进入、安全，甚至个人信息娱乐系统。这些系统通常包含导航、GPS 定位和 eCall 功能。很容易理解为什么即使汽车不移动，这些系统也必须保持开启状态，因为这些系统的GPS方面必须始终处于紧急和安全状态。这是一个必要的要求，以便在必要时可以由外部操作员激活基本控制。

考虑一个eCall系统（以通用汽车在美国的OnStar系统为例），该系统在全球新型汽车中变得越来越普遍，许多制造商已经在其产品系列中推出了它们。事实上，这些系统在欧洲成为 3 月 31 日之后销售的所有新车和轻型卡车的强制性要求®圣, 2018.这是一个非常简单的技术：如果发生汽车安全气囊展开的碰撞，eCall系统会自动联系紧急服务。它使用GPS将时间，您的位置，您乘坐的汽车类型以及使用哪种燃料传递给当局，而汽车中的麦克风允许您在系统激活时直接与呼叫处理程序交谈。这些eCall系统可以共享事件发生时您的行进方向，使当局知道在发生碰撞时他们需要前往高速公路的哪一侧。所有这些都使救护车、警察和消防人员能够在事故发生后尽快与您联系，并掌握尽可能多的信息。个人也可以通过按下按钮来激活eCall，因此如果有人生病（或在安全气囊未展开的碰撞中受伤），仍然可以轻松召唤帮助。

存储介质

在认识到各种系统中需要备用电源之后，问题就出现了：这种类型的备用电源的存储介质有哪些选择？传统上，选择是电容器和电池。

可以说，几十年来，电容器技术在电力传输和输送应用中发挥了重要作用。例如，传统的薄膜和油基电容器设计执行多种功能，例如功率因数校正和电压平衡。然而，在过去十年中，大量的研究和开发导致了电容器设计和功能的重大进步。这些先进的电容器被称为超级电容器（也称为超级电容器），它们非常适合用于电池储能和备用电源系统。超级电容器在总能量存储方面可能受到限制;然而，它们的能量密度很高。此外，它们具有快速释放高能量和快速充电的能力。

超级电容器不仅结构紧凑，而且坚固可靠，并且可以支持备份系统对短期断电事件的要求，例如本文已经概述的那些事件。此外，它们可以很容易地并联或串联堆叠，甚至两者的组合，以满足最终应用所需的电压和电流需求。然而，超级电容器不仅仅是具有非常高电容水平的电容器。与标准陶瓷、钽或电解电容器相比，超级电容器以相似的外形尺寸和重量提供更高的能量密度和电容。而且，尽管超级电容器需要一些特殊的护理，但它们正在增加甚至取代需要高电流/短时间备用电源的数据存储应用中的电池。

此外，它们还可用于各种需要高电流突发或瞬时备用电池的高峰值功率和便携式应用，例如UPS系统。与电池相比，超级电容器以更小的外形尺寸提供更高的峰值功率突发，并在更宽的工作温度范围内具有更长的充电循环寿命。通过降低电容器的浮电电压和避免高温（>50°C），可以最大限度地延长超级电容器的使用寿命。

另一方面，电池可以存储大量能量，但在功率密度和传输方面受到限制。由于电池内发生的化学反应，它们在循环方面的寿命有限。因此，当长时间提供适量的功率时，它们最有效，因为非常快速地从中拉出许多安培，严重限制了它们的使用寿命。表1总结了超级电容器、电容器和电池的优缺点。

参数	超级电容器	电容器	电池
储能	Wsec 的能量	Wsec 的能量	瓦时的能量
充电方式	端子上的电压（例如，来自电池的电压）	端子上的电压（例如，来自电池的电压）	电流和电压
交付的功率	快速放电、线性或指数电压衰减	快速放电、线性或指数电压衰减	长时间恒定电压
充电/放电时间	毫秒到美国证券交易委员会	PSEC 到 MSEC	1小时至10小时
外形尺寸	小	从小到大	大
重量	1 克至 2 克	1 克至 10 公斤	1 克至 >10 千克
能量密度（瓦时/千克）	1 到 5	0.01 到 0.05	8 到 600
功率密度（瓦/千克）	高， >4000	高， >5000	低，100 至 3000
工作电压	2.3 V 至 2.75 V/节	6 V 至 800 V	1.2 V 至 4.2 V/cel
辈子	>100k 周期	>100k 周期	150 至 1500 次循环
工作温度（°C）	–40 至 +85	–20 至 +100	–20 至 +65

新的备份管理器电源解决方案

既然我们已经确定超级电容器、电池和/或两者的组合都可以用作几乎任何电子系统中的备用电源，那么有哪些可用的解决方案？

首先，任何IC解决方案都需要是一个完整的锂离子电池备用电源管理系统，能够在主电源故障事件期间保持3.5 V至5 V电源轨处于活动状态。由于电池提供的能量比超级电容器多得多，因此它们非常适合需要长时间备份的应用。因此，任何IC解决方案都需要具有片内双向同步转换器，以便为备用电池提供高效充电，并在主电源轨发生中断时能够为下游负载提供高电流备用电源。因此，当外部电源可用时，该器件将用作单节锂离子电池或LiFePO的降压电池充电器。4电池，同时优先考虑系统负载。但是，如果输入电源突然降至可调电源故障输入（PFI）门限以下，IC将需要作为升压稳压器工作，能够从备用电池向系统输出提供数安培的电流。因此，如果发生电源故障，则IC将需要电源路径控制，以提供反向阻断以及输入电源和备用电源之间的无缝切换。这种IC的典型应用包括车队和资产跟踪、汽车GPS数据记录器、汽车远程信息处理系统、收费系统、安全系统、通信系统、工业备份和USB供电设备。图1显示了使用ADI公司的线性功耗的典型应用原理图™ LTC4040 锂离子电池备份管理器。

图1.采用 LTC4040 的后备电源，具有一个用户设定的 PFI 门限。

LTC4040 还包括可选的过压保护 （OVP），可通过外部 FET 保护 IC 免受大于 60 V 的输入电压的影响。其可调输入电流限制功能支持从电流限制源工作，同时优先考虑系统负载电流而不是电池充电电流。外部断开开关在备份期间将主输入电源与系统隔离。LTC4040 的 2.5 A 电池充电器提供 8 个针对锂离子和 LiFePO 优化的可选充电电压4电池。该器件还包括输入电流监控、输入功率损耗指示器和系统功率损耗指示器。

类似于电池的是超级电容器。但是，它们不支持长时间的断电，而是需要高功率、短持续时间备用电源的系统的绝佳选择。因此，任何支持此类应用的IC通常需要能够在主电源中断期间支持2.9 V至5.5 V电源轨。众所周知，超级电容器具有比电池更高的功率密度，使其成为其应用需要在短时间间隔内进行高峰值功率备份的系统的理想选择。例如，ADI公司的线性电源产品线LTC4041采用片内双向同步转换器，以提供高效率降压型超级电容器充电以及高电流、高效率升压备用电源。当外部电源可用时，该器件可用作一个或两个超级电容器电池的降压电池充电器，同时优先考虑系统负载。当输入电源降至可调PFI阈值以下时，LTC4041切换至升压模式操作，并可从超级电容器向系统负载提供高达2.5 A的电流。在电源故障事件期间，设备的 PowerPath™控制提供反向阻塞和从输入电源到备用电源的无缝切换。LTC4041的典型应用包括穿越式“垂死喘息”电源、3 V至5 V UPS的高电流穿越、功率计、工业报警器、服务器和固态驱动器。图 2 示出了典型的 LTC4041 应用原理图。

图2.LTC4041超级电容器备份应用原理图。

LTC4041包括一个可选的OVP功能，使用外部FET，可以保护IC免受大于60 V的输入电压的影响。内部超级电容器平衡电路在每个超级电容器上保持相等的电压，并将每个超级电容器的最大电压限制在预定值。其可调输入电流限制功能支持从电流限制源工作，同时优先考虑系统负载电流而不是电池充电电流。外部断开开关在备份期间将主输入电源与系统隔离。该器件还包括输入电流监控、输入电源故障指示器和系统电源故障指示器。

结论

每当系统必须具有恒定可用性时，即使主电源发生故障或短暂中断，备用电源始终是明智的选择。幸运的是，设计人员可以根据其特定需求考虑许多 IC 选项，包括 LTC4040 / LTC4041 备份管理器。这些类型的IC提供了一种简单的方法，可以在主电源中断或丢失时提供备用电源，无论其存储介质是超级电容器，电解电容器还是电池。LTC4040 和 / 或 LTC4041 具有为终端系统提供备用电源的功能，无论是瞬时突发还是长时间。因此，请确保您的系统在需要时具有正确的备份。明白了？

审核编辑：郭婷