采用超级电容器的备用电源解决方案

当主电源突然不可用时，临时备用电源是各种应用的常见要求。示例包括从服务器到固态驱动器的数据备份应用程序，工业或医疗应用中的电源故障警报，以及必须确保有序断电并将系统状态传达给供电主机的许多其他“奄奄一息”的功能。过去，这些类型的高可靠性系统使用电池在主电源不足或不可用时提供不间断电源。然而，许多权衡伴随着备用电池，包括长充电时间，有限的电池寿命和循环寿命，安全性和可靠性问题以及大的物理尺寸。随着高价值双电层电容器（更好地称为超级电容器）的出现，可以采用备用备用架构，消除了许多这些权衡。

电池与电容器

依靠电池提供备用电源的系统要求始终提供充满电的电池，并且具有足够的容量以保持易失性存储器活动或在电源恢复之前发出警报。通常，每当主电源发生故障时，采用电池备份的系统进入低功率待机状态，并且只有系统的关键易失性存储器或警报部分保持供电。由于无法预测停电持续时间，因此这类系统需要使用超大电池，以避免在长时间停电期间丢失数据的可能性。

基于电容器的备份系统使用不同的方法。与在整个备份时间内提供连续功率的基于电池的系统不同，基于电容器的系统仅需要短期备用电源，以便将易失性数据传输到闪存中或在最短的必要时间内提供“奄奄一息”警报操作。保存所需数据并正确发出电源故障报警后，电源恢复时间不重要。

此方法有几个优点。首先，可以完全避免与电池相关的众多权衡。在最坏情况的备份持续时间内，也不再需要超大能量存储元件。虽然基于电容器的系统的备用电源要求通常远高于基于电池的系统，但备用能量要求通常要低得多。由于备份解决方案的成本和尺寸通常由存储元件主导，因此电容器解决方案通常更小且更便宜。随着能够存储大量焦耳能量的小型，相对便宜的超级电容器的出现，可以用电容器而不是电池满足的备用应用的数量已经大大增加。

备份系统要求

所有基于电容的备份系统共享许多共同元素。需要Power Path™控制和电源故障检测，以便从正确的电源为负载供电，并在从正常操作转换到备份模式时向系统发出警报。存储电容器需要充电，理想情况下，这是以快速，有效的方式完成的。由于除非在备用电容器上存储足够数量的焦耳，否则无法进行适当的备份，因此许多应用要求在系统启动并准备好运行时完成充电。因此，通常需要高充电电流，并且由于超级电容器通常具有2.7V的最大工作电压，因此通常并且经常需要多个串联堆叠。在这种情况下，必须规定在电容充电时平衡和保护电容，以防止由于过电压造成的损坏和寿命降低。

图1显示了LTC3350的简化原理图，LTC3350是一种电容充电器和备用控制器IC专为解决电容器备份应用而设计。 LTC3350包含为需要基于电容的备份的应用提供完整的独立备份控制器所需的所有功能。该器件可以对多达四个串联电容进行充电，平衡和保护。输入电源失效阈值，电容器充电电压和调节后的最小备用电压都可以通过外部电阻进行编程。此外，该器件还包含一个非常精确的14位内部测量ADC，可监控输入，输出和电容电压和电流。内部测量系统还监控与备用电容器本身相关的参数，包括电容器堆栈电压，电容和堆栈ESR（等效串联电阻）。所有系统参数和故障状态均可通过双线I 2 C总线读回，并且可设置警报级别以提醒系统任何这些测量参数的突然变化。

超级电容器充电基础

为超级电容充电，类似于为电池充电，除了几个关键点。第一个是完全放电的电容器可以在整个充电周期内以全电流充电，而电池需要进行涓流充电，直到电池达到规定的最小电压。第二点是电容器不需要终止定时器。一旦达到最终的“浮动”电压，电容器就不能存储额外的电荷，必须停止充电。如果两个或更多个超级电容器串联充电，则电池与电池之间的电容的任何不匹配将导致在电池组充电时每个电容器上的电压增加速率不同。需要额外的安全功能，以确保在充电周期内没有电容器超过其最大额定电压。此外，必须使用平衡系统以确保一旦堆叠充电，所有电池被迫处于相同电压并且由于自放电差异而不会随时间漂移。这种电池到电池的平衡确保了最大的电容器寿命。

LTC3350中的充电电路由一个高电流同步降压控制器和一个电阻可编程的最大充电电流和最大堆电压组成（图2）。由于充电器由为负载供电的相同电源供电，因此LTC3350还包含一个单独的可编程输入电流限制，可在重负载V OUT 负载条件下自动降低电容器的充电电流。内部低电流平衡器（图2中未显示）强制所有电池彼此在10mV以内，每个电池最大电压为5V。内部保护分流器（也未显示）将自动降低充电电流并分流任何已达到2.7V默认值或用户编程的最大电池电压的电容器周围的剩余充电电流。此外，可以在软件控制下降低堆电荷电压，以便针对给定的备用能量要求优化电容器寿命。有关此主题的更多信息如下所示。

备份模式

备用电容器堆栈充电后，系统现在可以提供备用电源。充电模式和备份模式由PFI（电源故障输入）引脚上的电压决定。如果V IN 电压下降使PFI比较器跳闸为低电平，则器件立即进入备用模式（见图3）。当V IN 下降时，V OUT 将下降，一旦V OUT 电压低于电容器堆栈电压，OUTFET理想二极管将导通以防止V OUT 进一步下降。一旦V OUT 降至由OUTFB引脚上的电阻分压器编程的电压，电容充电器就会以与使用VCAP堆栈作为输入源的同步升压备用DC / DC转换器相反的方向工作。 V OUT 作为其稳压输出。升压备用转换器将继续运行，直到它不再支持V OUT 负载条件，并且V OUT 上的电压降至4.5V UVLO点以下。这允许超级电容器堆栈中的几乎所有可用能量在备份期间传输到负载，因为当电池组电压远低于4.5V时，升压将继续运行。典型的备份方案也如图3所示。在此示例中，四个串联电容器的堆栈充电至10V，在备用模式期间，V OUT 被调节至最低8V，直到所有能量为耗尽备用电容器。

“健康”监控确保可靠性并优化性能

在需要短期备用电源的高可靠性系统中必须存储和提供足够的能量，以便在主电源故障后立即执行关键功能。备用能源必须能够提供必要的备用电源。超级电容器因其每单位体积的极高电容和极低的ESR而成为此类应用的绝佳选择。但是，与电池一样，它们的性能会随着时间的推移而降低。电容器寿命通常（并且有些任意地）定义为电容下降30％和/或ESR增加100％所需的时间。如图4所示，高工作电压或高温会加速电容器的劣化。由于电容和电容ESR对于确保系统可以执行可靠的备份至关重要，因此系统能够监控并报告备用电容器老化时的“健康状况”，这一点非常重要。

一旦电容器堆充满电，LTC3350就会以用户选择的时间频率自动监控堆栈电容和堆栈ESR。该器件采用精密电流源，精密定时电路及其内部14位ADC，可精确监控堆栈电容。在强制关闭充电器的同时，从电容器堆栈的顶部拉出精确的编程电流。精确测量电容器堆栈下降200mV所需的时间，并根据这些参数计算堆栈电容。一旦电容测试完成，ESR测试通过在有和没有高电流充电器运行的情况下测量堆电压来完成，以对电池组重新充电。使用充电器执行此测试无需外部高功率测试负载。一旦充电器启用，堆栈电压的瞬时增加对应于测量的充电电流*堆栈ESR。电容和电容ESR的最新值可以在I 2 C的任何时间读回。

一旦知道堆栈电容和ESR值，就可以直接计算确保给定应用程序可靠备份所需的最小堆栈电压。由于大多数备用系统都设计有内置裕量，因此通常可以安全地将堆栈电压从其标称值降低，从而最大限度地延长电容器的使用寿命。这可以通过软件控制LTC3350 VCAP反馈DAC电压轻松实现。

结论

超高电容和极低ESR的结合使超级电容器能够提供解决常见问题的新方法，例如备用电源解决方案。然而，在没有权衡的情况下，性能的大幅提升很少。有效利用超级电容器通常需要串联电池，这又需要保护和平衡电路。虽然超级电容器的一般循环寿命和寿命可能远远超过竞争对手的电池技术，但电容器电压和温度的微小变化可能导致系统能力随时间发生显着变化。出于这个原因，“健康”监控通常是任何基于电容器的备份系统的必需功能。 LTC3350等新产品旨在解决与超级电容器备份应用相关的问题，并为开发可靠，灵活，高性能的备份解决方案提供最简单的方法。