采用超級電容器的備用電源解決方案

當主電源突然不可用時，臨時備用電源是各種應(yīng)用的常見要求。示例包括從服務(wù)器到固態(tài)驅(qū)動器的數(shù)據(jù)備份應(yīng)用程序，工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用中的電源故障警報，以及必須確保有序斷電并將系統(tǒng)狀態(tài)傳達給供電主機的許多其他“奄奄一息”的功能。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，許多權(quán)衡伴隨著備用電池，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的物理尺寸。隨著高價值雙電層電容器（更好地稱為超級電容器）的出現(xiàn)，可以采用備用備用架構(gòu)，消除了許多這些權(quán)衡。

電池與電容器

依靠電池提供備用電源的系統(tǒng)要求始終提供充滿電的電池，并且具有足夠的容量以保持易失性存儲器活動或在電源恢復之前發(fā)出警報。通常，每當主電源發(fā)生故障時，采用電池備份的系統(tǒng)進入低功率待機狀態(tài)，并且只有系統(tǒng)的關(guān)鍵易失性存儲器或警報部分保持供電。由于無法預測停電持續(xù)時間，因此這類系統(tǒng)需要使用超大電池，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)功率的基于電池的系統(tǒng)不同，基于電容器的系統(tǒng)僅需要短期備用電源，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“奄奄一息”警報操作。保存所需數(shù)據(jù)并正確發(fā)出電源故障報警后，電源恢復時間不重要。

此方法有幾個優(yōu)點。首先，可以完全避免與電池相關(guān)的眾多權(quán)衡。在最壞情況的備份持續(xù)時間內(nèi)，也不再需要超大能量存儲元件。雖然基于電容器的系統(tǒng)的備用電源要求通常遠高于基于電池的系統(tǒng)，但備用能量要求通常要低得多。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)，可以用電容器而不是電池滿足的備用應(yīng)用的數(shù)量已經(jīng)大大增加。

備份系統(tǒng)要求

所有基于電容的備份系統(tǒng)共享許多共同元素。需要Power Path?控制和電源故障檢測，以便從正確的電源為負載供電，并在從正常操作轉(zhuǎn)換到備份模式時向系統(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，有效的方式完成的。由于除非在備用電容器上存儲足夠數(shù)量的焦耳，否則無法進行適當?shù)膫浞?，因此許多應(yīng)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通常具有2.7V的最大工作電壓，因此通常并且經(jīng)常需要多個串聯(lián)堆疊。在這種情況下，必須規(guī)定在電容充電時平衡和保護電容，以防止由于過電壓造成的損壞和壽命降低。

圖1顯示了LTC3350的簡化原理圖，LTC3350是一種電容充電器和備用控制器IC專為解決電容器備份應(yīng)用而設(shè)計。 LTC3350包含為需要基于電容的備份的應(yīng)用提供完整的獨立備份控制器所需的所有功能。該器件可以對多達四個串聯(lián)電容進行充電，平衡和保護。輸入電源失效閾值，電容器充電電壓和調(diào)節(jié)后的最小備用電壓都可以通過外部電阻進行編程。此外，該器件還包含一個非常精確的14位內(nèi)部測量ADC，可監(jiān)控輸入，輸出和電容電壓和電流。內(nèi)部測量系統(tǒng)還監(jiān)控與備用電容器本身相關(guān)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 2 C總線讀回，并且可設(shè)置警報級別以提醒系統(tǒng)任何這些測量參數(shù)的突然變化。

超級電容器充電基礎(chǔ)

為超級電容充電，類似于為電池充電，除了幾個關(guān)鍵點。第一個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，而電池需要進行涓流充電，直到電池達到規(guī)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，必須停止充電。如果兩個或更多個超級電容器串聯(lián)充電，則電池與電池之間的電容的任何不匹配將導致在電池組充電時每個電容器上的電壓增加速率不同。需要額外的安全功能，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)以確保一旦堆疊充電，所有電池被迫處于相同電壓并且由于自放電差異而不會隨時間漂移。這種電池到電池的平衡確保了最大的電容器壽命。

LTC3350中的充電電路由一個高電流同步降壓控制器和一個電阻可編程的最大充電電流和最大堆電壓組成（圖2）。由于充電器由為負載供電的相同電源供電，因此LTC3350還包含一個單獨的可編程輸入電流限制，可在重負載V OUT 負載條件下自動降低電容器的充電電流。內(nèi)部低電流平衡器（圖2中未顯示）強制所有電池彼此在10mV以內(nèi)，每個電池最大電壓為5V。內(nèi)部保護分流器（也未顯示）將自動降低充電電流并分流任何已達到2.7V默認值或用戶編程的最大電池電壓的電容器周圍的剩余充電電流。此外，可以在軟件控制下降低堆電荷電壓，以便針對給定的備用能量要求優(yōu)化電容器壽命。有關(guān)此主題的更多信息如下所示。

備份模式

備用電容器堆棧充電后，系統(tǒng)現(xiàn)在可以提供備用電源。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 IN 電壓下降使PFI比較器跳閘為低電平，則器件立即進入備用模式（見圖3）。當V IN 下降時，V OUT 將下降，一旦V OUT 電壓低于電容器堆棧電壓，OUTFET理想二極管將導通以防止V OUT 進一步下降。一旦V OUT 降至由OUTFB引腳上的電阻分壓器編程的電壓，電容充電器就會以與使用VCAP堆棧作為輸入源的同步升壓備用DC / DC轉(zhuǎn)換器相反的方向工作。 V OUT 作為其穩(wěn)壓輸出。升壓備用轉(zhuǎn)換器將繼續(xù)運行，直到它不再支持V OUT 負載條件，并且V OUT 上的電壓降至4.5V UVLO點以下。這允許超級電容器堆棧中的幾乎所有可用能量在備份期間傳輸?shù)截撦d，因為當電池組電壓遠低于4.5V時，升壓將繼續(xù)運行。典型的備份方案也如圖3所示。在此示例中，四個串聯(lián)電容器的堆棧充電至10V，在備用模式期間，V OUT 被調(diào)節(jié)至最低8V，直到所有能量為耗盡備用電容器。

“健康”監(jiān)控確?？煽啃圆?yōu)化性能

在需要短期備用電源的高可靠性系統(tǒng)中必須存儲和提供足夠的能量，以便在主電源故障后立即執(zhí)行關(guān)鍵功能。備用能源必須能夠提供必要的備用電源。超級電容器因其每單位體積的極高電容和極低的ESR而成為此類應(yīng)用的絕佳選擇。但是，與電池一樣，它們的性能會隨著時間的推移而降低。電容器壽命通常（并且有些任意地）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的劣化。由于電容和電容ESR對于確保系統(tǒng)可以執(zhí)行可靠的備份至關(guān)重要，因此系統(tǒng)能夠監(jiān)控并報告?zhèn)溆秒娙萜骼匣瘯r的“健康狀況”，這一點非常重要。

一旦電容器堆充滿電，LTC3350就會以用戶選擇的時間頻率自動監(jiān)控堆棧電容和堆棧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，可精確監(jiān)控堆棧電容。在強制關(guān)閉充電器的同時，從電容器堆棧的頂部拉出精確的編程電流。精確測量電容器堆棧下降200mV所需的時間，并根據(jù)這些參數(shù)計算堆棧電容。一旦電容測試完成，ESR測試通過在有和沒有高電流充電器運行的情況下測量堆電壓來完成，以對電池組重新充電。使用充電器執(zhí)行此測試無需外部高功率測試負載。一旦充電器啟用，堆棧電壓的瞬時增加對應(yīng)于測量的充電電流*堆棧ESR。電容和電容ESR的最新值可以在I 2 C的任何時間讀回。

一旦知道堆棧電容和ESR值，就可以直接計算確保給定應(yīng)用程序可靠備份所需的最小堆棧電壓。由于大多數(shù)備用系統(tǒng)都設(shè)計有內(nèi)置裕量，因此通?？梢园踩貙⒍褩ｋ妷簭钠錁朔Q值降低，從而最大限度地延長電容器的使用壽命。這可以通過軟件控制LTC3350 VCAP反饋DAC電壓輕松實現(xiàn)。

結(jié)論

超高電容和極低ESR的結(jié)合使超級電容器能夠提供解決常見問題的新方法，例如備用電源解決方案。然而，在沒有權(quán)衡的情況下，性能的大幅提升很少。有效利用超級電容器通常需要串聯(lián)電池，這又需要保護和平衡電路。雖然超級電容器的一般循環(huán)壽命和壽命可能遠遠超過競爭對手的電池技術(shù)，但電容器電壓和溫度的微小變化可能導致系統(tǒng)能力隨時間發(fā)生顯著變化。出于這個原因，“健康”監(jiān)控通常是任何基于電容器的備份系統(tǒng)的必需功能。 LTC3350等新產(chǎn)品旨在解決與超級電容器備份應(yīng)用相關(guān)的問題，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。