備用電源的儲存介質(zhì)有哪些選擇？傳統(tǒng)選擇是電容和電池

Tony Armstrong和Steve Knoth ADI 公司

在當(dāng)今持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的世界里，無論外部環(huán)境或運(yùn)行條件如何，許多電子系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行是常見現(xiàn)象。換句話說，系統(tǒng)電源的任何故障，無論是瞬時(shí)、以秒計(jì)還是以分鐘計(jì)的故障，都必須在設(shè)計(jì)過程中加以考慮。處理此類情況的最常見的方式是使用不間斷電源(UPS)來彌補(bǔ)這些短暫的停機(jī)時(shí)間，從而確保系統(tǒng)以高可靠性連續(xù)運(yùn)行。同樣，當(dāng)今有許多應(yīng)急和備用系統(tǒng)用來為樓宇系統(tǒng)提供備用電源，以保證安保系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備能夠在斷電期間（無論根本原因是什么）保持運(yùn)行。

我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫臒o處不在的手持電子設(shè)備中可以很容易找到一些明顯的例子。由于可靠性至關(guān)重要，手持設(shè)備采用輕便電源精心設(shè)計(jì)，可在一般條件下可靠使用。但是，再精心的設(shè)計(jì)也無法防止人們的誤操作。例如，手持便攜式掃描設(shè)備從工廠工人手中掉下，導(dǎo)致其電池摔出來。這些事件在電子學(xué)上是不可預(yù)測的，如果沒有某種形式的安全網(wǎng)——即某種短期電力保持系統(tǒng)，其中儲存有足夠的能量來提供備用電源，直到電池被更換或數(shù)據(jù)存儲到永久性存儲器中——存儲在易失性存儲器中的重要數(shù)據(jù)將會丟失。

此例清楚地說明了電子系統(tǒng)需要其他形式的電源，以便在主電源中斷時(shí)有電可用。

在汽車電子系統(tǒng)中，有許多應(yīng)用需要用到連續(xù)電源，哪怕汽車處于駐車狀態(tài)（發(fā)動機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)），例如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入、安全、甚至個(gè)人信息娛樂系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常包含導(dǎo)航、GPS定位和eCall功能。很容易理解為什么這些系統(tǒng)即使在汽車不行駛時(shí)也必須保持開啟，因?yàn)檫@些系統(tǒng)的GPS必須始終在線以用于緊急和安全目的。這是必然的要求，以便在必要時(shí)可由外部操作員激活基本控制。

考慮eCall系統(tǒng)（以美國通用汽車公司的OnStar?系統(tǒng)為例），其在全球的新車上越來越普遍，許多制造商的各系車型上均已裝備這種系統(tǒng)。事實(shí)上，歐洲強(qiáng)制性要求2018年3月31日之后出售的所有新車和輕型卡車都必須裝備此類系統(tǒng)。這是一項(xiàng)相當(dāng)簡單的技術(shù)：當(dāng)發(fā)生碰撞，汽車安全氣囊打開時(shí)，eCall系統(tǒng)自動聯(lián)絡(luò)應(yīng)急服務(wù)。它通過GPS將時(shí)間、位置、汽車類型和所用燃油種類傳遞給有關(guān)機(jī)構(gòu)。同時(shí)在該系統(tǒng)激活后，您可以利用汽車中的麥克風(fēng)與呼叫處理人員直接通話。eCall系統(tǒng)可以告知事故發(fā)生時(shí)您沿哪個(gè)方向行駛，以便有關(guān)機(jī)構(gòu)知道需要從道路哪一邊進(jìn)入事故現(xiàn)場。所有這一切讓救護(hù)車、警察和消防員能夠在事發(fā)后盡快到達(dá)現(xiàn)場，并掌握盡可能多的信息。個(gè)人通過按下按鈕也可以激活eCall，因此如果有人生病（或在碰撞中受傷，但安全氣囊未打開），仍然可以輕松呼叫幫助。

儲存介質(zhì)

了解眾多系統(tǒng)需要備用電源后，隨之而來的問題是：此類備用電源的儲存介質(zhì)有哪些選擇？傳統(tǒng)選擇是電容和電池。

可以說，電容技術(shù)在電力傳輸和配送應(yīng)用中發(fā)揮重要作用已有數(shù)十年之久。例如，傳統(tǒng)的薄膜和油基電容的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)很多種功能，包括功率因數(shù)校正和電壓平衡等。但是，過去十年中進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)，使得電容設(shè)計(jì)和容量有了顯著進(jìn)步。這些先進(jìn)的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(tǒng)。超級電容的總儲能量有限，但其能量密度非常高。此外，超級電容具有快速釋放高能量并快速充電的能力。

超級電容不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且穩(wěn)健可靠，可滿足備用電源系統(tǒng)的要求，應(yīng)對上面所說的短期電源喪失事件。另外，超級電容很容易并聯(lián)或串聯(lián)堆疊，甚至采取串并聯(lián)組合，為最終應(yīng)用提供必要的電壓和電流。然而，超級電容不僅僅是具有非常大容值的電容器。與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷電容、鉭電容或電解電容相比，同樣尺寸和重量的超級電容具有更高的能量密度和更大的電容。雖然超級電容需要特殊維護(hù)，但在需要高電流/短時(shí)備用電源的數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用中，其超越甚至可以替換電池。

此外，超級電容還可用于各種需要高突發(fā)電流或短暫備用電池的高峰值功率和便攜式應(yīng)用中，例如UPS系統(tǒng)。與電池相比，超級電容以更小的尺寸提供更高的突發(fā)峰值功率，并且充電循環(huán)次數(shù)更多，工作溫度范圍更寬。通過降低超級電容的上截止電壓并避免高溫(> 50°C)，可以最大限度地延長超級電容的使用壽命。

另一方面，電池可以儲存大量能量，但在功率密度和輸送方面有局限性。電池內(nèi)部會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故其充電循環(huán)次數(shù)很有限。因此，如果要在較長時(shí)間里輸送適量功率，那么電池最有效，而讓電池非常迅速地輸出大電流，則會嚴(yán)重縮短其有效使用壽命。表1總結(jié)了超級電容、普通電容和電池的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1. 超級電容與普通電容和電池的特性比較

新型備用管理器電源解決方案

現(xiàn)在我們已經(jīng)明確，超級電容、電池和/或二者的組合可以用作幾乎所有電子系統(tǒng)的備用電源，那么有哪些解決方案可用呢？

首先，任何IC解決方案都會需要一個(gè)完整的鋰離子電池備用電源管理系統(tǒng)，其必須能夠在主電源發(fā)生故障時(shí)讓3.5 V至5 V電源軌保持供電。電池提供的能量比超級電容要多很多，因此需要備用電源長時(shí)間供電的應(yīng)用使用電池更合適。相應(yīng)地，任何IC解決方案都會需要片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器，以便對備用電池高效率充電；如果主電源軌發(fā)生中斷，它還能向下游負(fù)載提供高電流備用電源。因此，當(dāng)外部電源可用時(shí)，該器件將用作單節(jié)鋰離子或LiFePO4電池的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統(tǒng)負(fù)載以優(yōu)先權(quán)。然而，如果輸入電源突然降至可調(diào)電源失效輸入(PFI)閾值以下，該IC將需要充當(dāng)升壓調(diào)節(jié)器，以從備用電池向系統(tǒng)輸出提供幾安培的電流。因此，如果發(fā)生電源故障，該IC將需要執(zhí)行電源路徑控制，以提供反向阻斷并在輸入電源和備用電源之間無縫切換。這種IC的典型應(yīng)用包括車隊(duì)和資產(chǎn)跟蹤、汽車GPS數(shù)據(jù)記錄器、汽車遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)備用電源及USB供電設(shè)備。圖1顯示了采用ADI公司Power by Linear? LTC4040鋰離子電池備用管理器的典型應(yīng)用原理圖。

圖1. 采用LTC4040且使用用戶設(shè)置PFI閾值的備用電源。

LTC4040還有可選的過壓保護(hù)(OVP)功能，通過外部FET保護(hù)IC免受高于60 V的輸入電壓的影響。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時(shí)系統(tǒng)負(fù)載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開開關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開來。LTC4040的2.5 A電池充電器提供8種針對鋰離子電池和LiFePO4電池優(yōu)化的可選充電電壓。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源喪失指示器和系統(tǒng)電源喪失指示器。

與電池類似的是超級電容。然而，超級電容不支持主電源長時(shí)間喪失的場合，但它是需要高功率、短時(shí)間備用電源的系統(tǒng)的出色選擇。因此，任何支持此類應(yīng)用的IC通常都需要能夠在主電源中斷期間支持2.9 V至5.5 V電源軌。眾所周知，超級電容的功率密度高于電池，這使其成為短時(shí)間內(nèi)需要高峰值功率備用電源的系統(tǒng)的理想選擇。舉例來說，ADI公司Power by Linear產(chǎn)品線中的LTC4041使用片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器，提供高效率的降壓超級電容充電，以及高電流、高效率的升壓備用電源。當(dāng)外部電源可用時(shí)，該器件用作一個(gè)或兩個(gè)超級電容單元的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統(tǒng)負(fù)載以優(yōu)先權(quán)。當(dāng)輸入電源降至可調(diào)PFI閾值以下時(shí)，LTC4041切換到升壓工作模式，可以從超級電容向系統(tǒng)負(fù)載提供最高2.5 A的電流。在電源故障期間，該器件的PowerPath?控制功能提供反向阻斷以及從輸入電源到備用電源的無縫切換。LTC4041的典型應(yīng)用包括穿越“致命故障”(dying gasp)電源、高電流穿越3 V至5 V UPS、功率計(jì)、工業(yè)報(bào)警器、服務(wù)器和固態(tài)驅(qū)動器。圖2顯示了一個(gè)典型LTC4041應(yīng)用原理圖。

圖2. LTC4041超級電容備用電源應(yīng)用原理圖。

LTC4041有一個(gè)可選的OVP功能，使用外部FET來保護(hù)IC免受高于60 V的輸入電壓的影響。內(nèi)部超級電容平衡電路使每個(gè)超級電容上的電壓保持相等，并將每個(gè)超級電容的最大電壓限制在預(yù)定值。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時(shí)系統(tǒng)負(fù)載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開開關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開來。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源失效指示器和系統(tǒng)電源失效指示器。

結(jié)論

如果要求系統(tǒng)必須持續(xù)可用，即便主電源失效或短暫中斷也不能停機(jī)，那么提供備用電源永遠(yuǎn)是明智選擇。幸運(yùn)的是，有很多IC選擇可供設(shè)計(jì)人員考慮以滿足特定需求，包括LTC4040/LTC4041備用管理器。當(dāng)主電源中斷或喪失時(shí)，此類IC很容易讓備用電源發(fā)揮作用，無論其儲存介質(zhì)是超級電容、電解電容器還是電池。LTC4040和/或LTC4041具有為終端系統(tǒng)提供備用電源的功能，無論是瞬時(shí)突發(fā)供電還是長時(shí)間供電。因此，請確保您的系統(tǒng)在需要時(shí)有合適的備用電源可用。明白了吧？

作者簡介

Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear產(chǎn)品部門的產(chǎn)品營銷總監(jiān)。他負(fù)責(zé)電源轉(zhuǎn)換和管理產(chǎn)品從上市到停產(chǎn)的所有事務(wù)。加入ADI之前，Tony在Linear Technology（現(xiàn)為ADI公司一部分）、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel擔(dān)任過營銷、銷售和運(yùn)營方面的不同職位。他畢業(yè)于英格蘭曼徹斯特大學(xué)，獲得應(yīng)用數(shù)學(xué)（榮譽(yù)）學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：anthony.armstrong@analog.com

Steve Knoth是ADI公司Power by Linear部門的高級產(chǎn)品營銷工程師。他負(fù)責(zé)所有電源管理集成電路(PMIC)產(chǎn)品、低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、電池充電器、電荷泵、基于電荷泵的發(fā)光二極管驅(qū)動器、超級電容器充電器、低壓單片開關(guān)穩(wěn)壓器和理想二極管器件。Steve從1990年起在Micro Power Systems、ADI公司和Micrel Semiconductor擔(dān)任過不同營銷和產(chǎn)品工程職位，之后于2004年加入Linear Technology（現(xiàn)為ADI公司一部分）。他于1988年獲得圣何塞州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，并于1995年獲得該大學(xué)物理學(xué)碩士學(xué)位。2000年，Steve還獲得了鳳凰城大學(xué)技術(shù)管理碩士學(xué)位(MBA)。除了與孩子們共度美好時(shí)光之外，Steve還喜歡玩彈球/街機(jī)游戲或肌肉車，以及購買、銷售、收藏古董玩具和電影/體育/汽車紀(jì)念品。