一款采用超級(jí)電容器組的電源保持系統(tǒng)

引言

手持式電子設(shè)備在我們的日常生活中起著重要的作用。由于可靠性是最重要，因此手持式設(shè)備采取了謹(jǐn)慎的工程設(shè)計(jì)，并采用了輕量型電源，以在正常條件下確保可靠的使用。但是，不管多少謹(jǐn)慎的工程設(shè)計(jì)都無法避免他們?cè)谟脩羰种性庥觥按直?duì)待”。例如：當(dāng)工廠里的工人失手跌落一個(gè)條形碼掃描儀而導(dǎo)致電池跳出時(shí)，會(huì)發(fā)生什么? 此類事件用電子學(xué)的方法是不能預(yù)知的，而且在未提供某種形式的“安全網(wǎng)”(一種存儲(chǔ)了充足能量的短期電源保持系統(tǒng)，用于提供備用電源，直到可以更換電池或者能將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到永久性存儲(chǔ)器中為止) 之情況下，保存在易失性存儲(chǔ)器中的重要數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。

超級(jí)電容器具有緊湊、堅(jiān)固和可靠的特點(diǎn)，并能支持用于應(yīng)對(duì)短期掉電過程中后備系統(tǒng)的電源要求。與電池相似，它們也需要在輸出端進(jìn)行謹(jǐn)慎的充電和功率調(diào)節(jié)。LTC?3226 是一款具有一個(gè)電源通路 (PowerPath?) 控制器的兩節(jié)串聯(lián)超級(jí)電容器充電器，可簡(jiǎn)化后備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。特別地，該器件包含一個(gè)具可編程輸出電壓和自動(dòng)電池電壓平衡功能的充電泵超級(jí)電容器充電器、一個(gè)低壓差穩(wěn)壓器和一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)正常模式與后備模式之間切換的電源故障比較器。低輸入噪聲、低靜態(tài)電流和緊湊的占板面積使 LTC3226成為緊湊、手持和電池供電型應(yīng)用的理想選擇。這款器件采用3mm x 3mm 16引腳QFN封裝。

后備電源應(yīng)用

圖 1 示出了一款采用超級(jí)電容器組的電源保持系統(tǒng)，該電容器組在沒有電池電源的情況下提供持續(xù)約45s 的 165mW 待機(jī)功率的容量。一個(gè) LDO 負(fù)責(zé)在后備模式期間將超級(jí)電容器組的輸出轉(zhuǎn)換為一個(gè)恒定電壓電源。

圖 1：采用超級(jí)電容器的典型電源后備系統(tǒng)

采用 LTC3226 可以輕松設(shè)計(jì)電源后備系統(tǒng)。例如：取一個(gè)在采用單節(jié)鋰離子電池供電時(shí)具有 150mA 工作電流和 50mA 待機(jī)電流 (ISB) 的器件。為確保接入一個(gè)已充電電池，電源故障比較器 (PFI) 的高電平觸發(fā)點(diǎn)設(shè)定為3.6V。當(dāng)電池電壓達(dá)到3.15V時(shí)，器件進(jìn)入待機(jī)模式；而當(dāng)電池電壓為3.10V (VBAT (MIN)) 時(shí)，則器件進(jìn)入后備模式，并將保持電源的時(shí)間周期(tHU)初始設(shè)置為大約45s。

待機(jī)模式觸發(fā)電平受控于一個(gè)外部比較器電路，而后備模式觸發(fā)電平則受控于PFI比較器。當(dāng)處于后備模式時(shí)，必須禁止器件進(jìn)入全面運(yùn)行模式，以避免造成超級(jí)電容器過快地放電。

設(shè)計(jì)從設(shè)定 PFI 觸發(fā)電平開始。R2 被設(shè)定為 121k， R1 的阻值應(yīng)把 PFI 引腳上的 PFI 觸發(fā)電平 (VPFI) 設(shè)定至1.2V，其計(jì)算公式如下：

據(jù)此將R1設(shè)定為191k。

VIN 引腳上的遲滯必需延長(zhǎng)以滿足 3.6V 的觸發(fā)電平。這可以通過在 PFI 引腳和 PFO 引腳之間增設(shè)一個(gè)電阻器與二極管的串聯(lián)組合來實(shí)現(xiàn)。VIN(HYS) 為0.5V，VPFI(HYS)為20mV，而Vf為0.4V。

R8設(shè)定為348k。

通過將 R7 設(shè)定為 80.6k，并計(jì)算 R6 阻值，把 LDO 后備模式輸出電壓設(shè)定為3.3V。VLDO(FB)為0.8V。

將R6設(shè)定為255k。

串聯(lián)連接的超級(jí)電容器上的滿充電電壓被設(shè)定為5V。這是利用位于 CPO 引腳與 CPO_FB 引腳之間的一個(gè)分壓器網(wǎng)絡(luò)完成的。R5 設(shè)定為 1.21M，并計(jì)算 R4阻值。VCPO(FB)為1.21V。

設(shè)定R4 = 3.83M。

在后備模式中，當(dāng)超級(jí)電容器組上的電壓開始接近VOUT 時(shí)，在計(jì)算 tHU 結(jié)束時(shí)超級(jí)電容器上的最小電壓必須將兩個(gè)超級(jí)電容器的 ESR 和 LDO 的輸出電阻考慮在內(nèi)。假設(shè)每個(gè)超級(jí)電容器的 ESR 為 100mΩ，而 LDO 輸出電阻為 200mΩ，這將由于 50mA 待機(jī)電流的原因而使VOUT (MIN)增加20mV。VOUT (MIN)設(shè)定為3.1V，從而在超級(jí)電容器組上產(chǎn)生一個(gè)1.88V的放電電壓 (?VSCAP)?，F(xiàn)在，可以確定每個(gè)超級(jí)電容器的大小。

每個(gè)超級(jí)電容器均選擇為一個(gè)由 Nesscap 公司提供的3F/2.7V電容器(ESHSR-0003C0-002R7)。圖 2 示出了在具有一個(gè) 50mA 負(fù)載時(shí)系統(tǒng)的實(shí)際后備時(shí)間。由于在實(shí)際電路中使用了較大的 3F 電容器，因此后備時(shí)間為55.4s。

結(jié)論

高性能手持式設(shè)備需要能夠?yàn)樵O(shè)備提供足夠長(zhǎng)時(shí)間供電的電源后備系統(tǒng)，以在電池突然被拿掉時(shí)可安全地保存易失性數(shù)據(jù)。超級(jí)電容器可在此類系統(tǒng)中充當(dāng)緊湊和可靠的電源，但是它們需要用于充電及輸出電壓調(diào)節(jié)的專用控制系統(tǒng)。LTC3226通過把一個(gè)兩節(jié)超級(jí)電容器充電器、PowerPath 控制器、一個(gè) LDO 穩(wěn)壓器和一個(gè)電源故障比較器全部集成在單個(gè)3mm x 3mm 16引腳 QFN 封裝之中，使得能夠輕而易舉地構(gòu)建一款完整的電源后備解決方案。

圖 2：支持 50mA 負(fù)載的后備時(shí)間