超級電容備用電路提供可靠的不間斷電源

臨時備用電源是各種應用的常見要求，每當主電源突然不可用時。示例包括從服務器到固態(tài)驅動器的數(shù)據(jù)備份應用、工業(yè)或醫(yī)療應用中的電源故障警報，以及許多其他“垂死的喘息”功能，其中必須確保有序斷電并將系統(tǒng)狀態(tài)傳達給通電主機。過去，這些類型的高可靠性系統(tǒng)使用電池在主電源不足或不可用時提供不間斷電源。然而，電池備份伴隨著許多權衡，包括長充電時間、有限的電池壽命和循環(huán)壽命、安全性和可靠性問題以及大物理尺寸。隨著高價值雙電層電容器（更廣為人知的超級電容器）的出現(xiàn)，可以采用替代備份架構來消除許多這些權衡。

電池與電容器

依賴電池作為備用電源的系統(tǒng)要求始終提供充滿電的電池，并具有適當?shù)娜萘?，以保持易失性?nèi)存存活或警報響起，直到電源恢復。通常，每當主電源發(fā)生故障時，采用備用電池的系統(tǒng)就會進入低功耗待機狀態(tài)，并且只有系統(tǒng)的關鍵易失性存儲器或報警部分保持供電。由于無法預測電源故障持續(xù)時間，因此此類系統(tǒng)需要超大尺寸的電池，以避免在長時間停電期間丟失數(shù)據(jù)的可能性。

基于電容器的備份系統(tǒng)使用不同的方法。與在整個備份時間內(nèi)提供連續(xù)電源的基于電池的系統(tǒng)不同，基于電容器的系統(tǒng)只需要短期備用電源，以便將易失性數(shù)據(jù)傳輸?shù)介W存中或在最短的必要時間內(nèi)提供“垂死的喘息”報警操作。保存所需數(shù)據(jù)并正確發(fā)出電源故障警報后，電源恢復時間就不重要了。

這種方法有幾個優(yōu)點。首先，可以完全避免與電池相關的眾多權衡。也不再需要在最壞情況下的備份持續(xù)時間下過大的能量存儲元件。雖然基于電容器的系統(tǒng)所需的備用電源要求通常遠高于基于電池的系統(tǒng)，但備用能源要求通常要低得多。由于備份解決方案的成本和尺寸通常由存儲元件主導，因此電容器解決方案通常更小且更便宜。隨著能夠存儲大量焦耳能量的小型、相對便宜的超級電容器的出現(xiàn)，可以用電容器代替電池來滿足的備份應用的數(shù)量已經(jīng)大大增加。

備份系統(tǒng)要求

所有基于電容器的備份系統(tǒng)共享許多共同元件。? 需要電源路徑控制和電源故障檢測，以便從正確的電源向負載供電，并在從正常操作轉換到備用模式時向系統(tǒng)發(fā)出警報。存儲電容器需要充電，理想情況下，這是以快速、高效的方式完成的。由于除非在備用電容器上存儲足夠數(shù)量的焦耳，否則無法進行正確的備份，因此許多應用要求在系統(tǒng)啟動并準備好運行時完成充電。因此，通常需要高充電電流，并且由于超級電容器的最大工作電壓通常為2.7V，因此通常并且通常需要串聯(lián)堆疊多個超級電容器。在這種情況下，必須在電容器充電時進行平衡和保護，以防止由于過壓而損壞和壽命下降。

圖 1 示出了 LTC3350 的簡化原理圖，LTC3350 是一款專為滿足電容器備份應用而設計的電容器充電器和備份控制器 IC。LTC3350 包括為需要基于電容器的備份的應用提供完整、獨立的備份控制器所需的所有功能。該器件可對多達四個串聯(lián)電容器進行充電、平衡和保護。輸入電源故障門限、電容器充電電壓和調節(jié)的最小備份電壓均可利用外部電阻器進行設置。此外，該器件還包含一個非常精確的 14 位內(nèi)部測量 ADC，用于監(jiān)控輸入、輸出以及電容器電壓和電流。內(nèi)部測量系統(tǒng)還監(jiān)控與備用電容器本身相關的參數(shù)，包括電容器堆棧電壓、電容和堆棧 ESR（等效串聯(lián)電阻）。所有系統(tǒng)參數(shù)和故障狀態(tài)均可通過雙線I回讀2可以設置C總線和報警級別，以提醒系統(tǒng)任何這些測量參數(shù)的突然變化。

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圖1.大電流超級電容器充電器和備用控制器

超級電容器充電基礎知識

為超級電容充電類似于為電池充電，除了幾個關鍵點。第一種是，完全放電的電容器可以在整個充電周期內(nèi)以全電流充電，而電池需要涓流充電，直到電池達到指定的最小電壓。第二點是電容器不需要終止定時器。一旦達到最終的“浮動”電壓，電容器就不能存儲額外的電荷，并且必須停止充電。如果兩個或多個超級電容串聯(lián)充電，則電池與電池之間的任何電容不匹配都將導致每個電容器在電池組充電時出現(xiàn)不同的電壓增加速率。需要具備額外的安全功能，以確保在充電周期內(nèi)沒有電容器超過其最大額定電壓。此外，必須使用平衡系統(tǒng)來確保一旦電池組充電，所有電池都會被迫達到相同的電壓，并且不會因自放電差異而隨著時間的推移而漂移。這種電池間平衡可確保最長的電容器使用壽命。

LTC3350 中的充電電路由一個高電流、同步降壓型控制器和一個電阻器組成，可設置最大充電電流和最大堆棧電壓（圖 2）。由于充電器由為負載供電的同一電源供電，因此 LTC3350 還包含一個單獨的可編程輸入電流限值，該限值可在重 V 電壓下自動減小電容器的充電電流外負載條件。內(nèi)部低電流平衡器（圖2中未顯示）強制所有電池之間的電壓在10mV以內(nèi)，每節(jié)電池的最大電壓為5V。內(nèi)部保護分流器（也未顯示）將自動降低充電電流，并在已達到2.7V默認值或用戶編程的最大電池電壓的任何電容器周圍分流剩余充電電流。此外，在軟件控制下，可以降低電池組充電電壓，以便在給定的備用能量要求下優(yōu)化電容器壽命。有關此主題的更多信息如下。

圖2.大電流超級電容器充電器和備用控制器

備份模式

一旦備用電容器組充電，系統(tǒng)現(xiàn)在能夠提供備用電源。充電模式和備份模式由PFI（電源故障輸入）引腳上的電壓決定。如果 V在電壓下降導致PFI比較器跳變低，器件立即進入備份模式（見圖3）。V外將下降為 V在下降，一旦 V外電壓低于電容組電壓，OUTFET理想二極管導通以防止V外從進一步下降。一次 V外電容充電器降至由 OUTFB 引腳上的電阻分壓器設置的電壓，與同步升壓備份 DC/DC 轉換器以相反方向工作，使用 VCAP 堆棧作為其輸入源和 V外作為其調節(jié)輸出。升壓備份轉換器將繼續(xù)運行，直到它無法再支持 V外負載條件和 V 上的電壓外低于 4.5V UVLO 點。這允許超級電容堆棧中的幾乎所有可用能量在備份期間傳輸?shù)截撦d，因為當堆棧電壓遠低于4.5V時，升壓將繼續(xù)運行。典型的備份方案也如圖 3 所示。在本例中，由四個串聯(lián)電容組成的堆棧充電至10V，在備份模式V期間外被調節(jié)至最小 8V，直到備用電容器的所有能量耗盡。

圖3.備份模式下的電源路徑操作

“運行狀況”監(jiān)控可確保可靠性并優(yōu)化性能

在需要短期備用電源的高可靠性系統(tǒng)中，必須存儲足夠的能量并使其可用，以便在主電源故障后立即執(zhí)行關鍵功能。備用能源必須能夠提供必要的備用電源。超級電容器是此類應用的絕佳選擇，因為它們具有極高的單位體積電容和非常低的 ESR。但是，與電池一樣，它們的性能會隨著時間的推移而下降。電容壽命通常（有點任意）定義為電容下降30%和/或ESR增加100%所需的時間。如圖4所示，高工作電壓或高溫會加速電容器退化。由于電容和電容ESR對于確保系統(tǒng)能夠執(zhí)行可靠的備份至關重要，因此系統(tǒng)能夠監(jiān)控和報告?zhèn)溆秒娙堇匣瘯r的“健康狀況”非常重要。

圖4.典型超級電容器壽命與溫度和電壓的關系

一旦電容器堆棧充滿電，LTC3350 就會以用戶選擇的時間頻率自動監(jiān)視堆棧電容和堆棧 ESR。該器件采用精密電流源、精密定時電路及其內(nèi)部 14 位 ADC 來精確監(jiān)控堆棧電容。當充電器被強制關閉時，從電容器組的頂部拉出精確的編程電流。精確測量電容器組下降200mV所需的時間，并根據(jù)這些參數(shù)計算堆棧電容。電容測試完成后，ESR測試是通過測量堆棧電壓來完成的，無論是否運行大電流充電器以重新充電堆棧。使用充電器執(zhí)行此測試，無需外部高功率測試負載。充電器使能后，電池組電壓的瞬時增加對應于測量的充電電流*堆棧ESR。電容和電容ESR的最新值可以隨時通過I回讀2C.

一旦知道堆棧電容和ESR值，就可以直接計算所需的最小堆棧電壓，以確保給定應用的可靠備份。由于大多數(shù)備份系統(tǒng)設計有內(nèi)置裕量，因此通常可以安全地將堆棧電壓從其標稱值降低，從而最大限度地延長電容器的使用壽命。這可通過軟件控制 LTC3350 VCAP 反饋 DAC 電壓輕松實現(xiàn)。

結論

非常高的電容和非常低的ESR相結合，使超級電容器能夠為解決常見問題（如備用電源解決方案）提供新的方法。然而，性能的巨大飛躍很少沒有權衡。有效利用超級電容通常需要串聯(lián)電池，而串聯(lián)電池又需要保護和平衡電路。雖然超級電容器的循環(huán)壽命和壽命通?？赡苓h遠超過競爭電池技術，但隨著時間的推移，電容電壓和溫度的微小變化可能會導致系統(tǒng)功能發(fā)生巨大變化。因此，“健康”監(jiān)控通常是任何基于電容器的備份系統(tǒng)的必備功能。新產(chǎn)品（如 LTC3350）旨在解決專門與超級電容器備份應用相關的此類問題，并為開發(fā)可靠、靈活、高性能的備份解決方案提供最簡單的方法。

審核編輯：郭婷