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對于眾多的應用而言，常常需要一種在主電源突然不能使用時承擔供電任務的臨時后備電源。具體的實例包括數據備份應用 (從服務器到固態驅動)、工業或醫療應用中的電源故障報警、以及一系列其他可承受 “電源瀕臨崩潰” 的功能 (其必須確保有序的斷電并將系統狀態信息傳送至一部受電的主機)。過去，此類高可靠性系統采用電池以在主電源供電不足或者不能使用時提供一種不間斷電源。然而，這種電池后備的方式伴隨著諸多的權衡取舍，包括漫長的充電時間、有限的電池使用壽命和循環壽命、安全性和可靠性問題、以及物理尺寸龐大等。隨著高值雙電層電容器 (更多地被稱為 “超級電容器” ) 的出現，人們可以運用替代的后備架構，從而免除上述的許多權衡折衷。 電池與電容器的比較 依靠電池提供后備電源的系統要求始終有滿充電電池可供使用，電池需要具備合適的容量以在電源恢復之前使易失性存儲器 “保活” 抑或保持報警聲響不斷。通常，采用電池后備的系統會在主電源失效時進入一種低功率待機狀態，此時只有關鍵的易失性存儲器或系統的報警部分處于受電狀態。由于電源故障的持續時間不可預知，因而此類系統需要采用超大的電池以消除在斷電時間過長的情況下發生數據丟失的可能性。 基于電容器的后備系統運用了一種不同的方法。與基于電池的系統在整個后備期間連續供電不同，基于電容器的系統僅需要短期后備電源，以便將易失性數據轉移至閃存器，或者在最短的必要時間里提供 “電源瀕臨崩潰” 報警操作。一旦所需數據得到保存或電源故障報警信號正確地發出，電源恢復時間就不重要了。 這種方法擁有多項優勢。首先，與電池有關的諸多折衷可以全部避免。而且，也不再需要針對最差的后備持續時間選擇過大的電能儲存元件。雖然基于電容器的系統其后備功率要求通常遠高于基于電池的系統，但后備電能要求則往往低得多。由于后備解決方案的成本和尺寸常常主要取決于儲存元件，因此電容器型解決方案通常較小且較便宜。隨著能夠儲存大量電能的小型、較廉價超級電容器的涌現，可以用電容器取代電池來滿足不間斷供電要求的后備應用大大增加了。 后備系統要求 所有基于電容器的后備系統都采用了很多常見的元件。為了從正確的電源給負載供電以及在從正常操作模式轉換至后備模式時向系統發出警示信號，需要電源通路 (PowerPathTM) 控制和電源故障檢測功能。存儲電容器需要充電，而且最理想的是以快速高效的方式完成這一充電過程。由于需在后備電容器上存儲了足夠的電能之后才能實現正確的后備供電，所以許多應用要求在系統啟動并處于操作就緒狀態之前完成充電。因此，通常需要很高的充電電流，而由于超級電容器一般具有 2.7V 的最大工作電壓，所以常常有必要將多個超級電容器串聯堆疊起來使用。在這種場合中，必須在電容器充電期間為其提供平衡和保護，以避免由于過壓而導致其受損或使用壽命縮短。 圖 1 示出了 LTC3350 的簡化原理圖，其為一款專為適應電容器后備應用而特別設計的電容器充電器和后備控制器 IC。LTC3350 包括了提供面向需要電容器后備之應用的完整、獨立后備控制器必需的所有特性。該器件能夠為最多 4 個串聯的電容器提供充電、平衡和保護。輸入電源故障門限、電容器充電電壓和穩定的最小后備電壓均可利用外部電阻器來設置。此外，該器件還包含一個非常準確的 14 位內部測量 ADC，其負責監視輸入、輸出以及電容器電壓和電流。內部測量系統還監測與后備電容器本身有關的參數，包括電容器組電壓、電容和電容器組 ESR (等效串聯電阻)。可通過一根兩線式 I2C 總線回讀所有的系統參數和故障狀態，并且設定合適的報警電平以在任何上述測量參數發生突變時向系統發出警示信號。 圖1：高電流超級電容器充電器和后備控制器 超級電容器充電基礎知識 超級電容器的充電與電池的充電很相似，只有幾個要點例外。首先，完全放電的電容器在整個充電周期中都能以滿電流進行充電，而電池則需要實施涓流充電直到電池達到一個規定的最小電壓為止。第二點是對于電容器來說不需要充電終止定時器。當達到最終的 “浮動” 電壓時，電容器就不能存儲更多的電荷了，充電必須停止。如果有兩個或更多的超級電容器串聯充電，那么各單元之間的任何電容失配都將在電容器組充電的過程中導致每個電容器兩端的電壓上升速率不同。必須布設額外的安全功能電路以確保所有電容器在充電周期中都不會超過其最大電壓額定值。此外還必須采用一種平衡系統，以保證當電容器組充電完成時各個單元都被強制處于相同的電壓，并且不會隨著時間的推移而出現由于自放電差異而導致的漂離。這種單元間平衡處理可確保最大的電容器使用壽命。 LTC3350 中的充電電路包括一個高電流、同步降壓型控制器，其具有可利用一個電阻設置的最大充電電流和最大電容器組電壓 (圖 2)。由于充電器的供電電源與負載的供電電源是相同的，因此 LTC3350 還包含一個單獨的可編程輸入電流限制電路，其在重 VOUT 負載條件下將自動地減小電容器的充電電流。內部的低電流平衡器 (圖 2 中未示出) 強制所有單元彼此之間的電壓差異不超過 10mV (每個單元的最大電壓達 5V)。內部保護分流器 (圖中也未示出) 將自動減小充電電流，并把任何已經達到 2.7V 默認值或用戶設置的最大單元電壓之電容器周圍的剩余充電電流分流。此外，還可以通過軟件控制來減低電容器組充電電壓，以針對某種給定的后備電能要求優化電容器的使用壽命。有關該主題的更多內容如下。 圖2：正常操作期間的功率流 后備模式 一旦后備電容器組完成充電，系統就能提供后備電源了。充電模式和后備模式由 PFI (電源故障輸入) 引腳上的電壓來決定。如果 VIN 電壓下降以至 PFI 比較器發生低電平跳變，則器件將立即進入后備模式 (圖 3)。VOUT 將隨著VIN 的下降而走低，而且一旦 VOUT 降至低于電容器組電壓，OUTFET 理想二極管將導通以阻止 VOUT 進一步下降。當 VOUT 降到一個由 OUTFB 引腳上的電阻分壓器設置的電壓時，電容器充電器將作為一個同步升壓后備 DC/DC 轉換器反向運作，其采用 VCAP 電容器組作為其輸入電源，并把 VOUT 作為其穩定輸出。升壓后備轉換器將繼續運行，直到它不再能夠支持 VOUT 負載條件且 VOUT 上的電壓下降至低于 4.5V UVLO 點為止。這可以使超級電容器組中幾乎所有的可用能量在后備期間轉移至負載，因為當電容器組電壓遠遠低于 4.5V 時升壓電路將繼續運行。圖 3 中還示出了一種典型的后備情形。在該實例中，由 4 個串聯電容器構成的電容器組被充電至 10V，而且在后備模式中 VOUT 被調節至 8V 的最小值，直到后備電容器中的所有電能耗盡為止。 圖 3：后備模式中的 PowerPath 操作 “健康” 監測確保了可靠性并優化了性能 在需要短期后備電源的高可靠性系統中，必須儲存并可提供足夠的電能以在發生主電源故障之后立即執行關鍵的功能。后備能量源輸送必要后備功率的能力是不可或缺的。超級電容器因其極高的單位體積電容和非常低的 ESR 而成為此類應用的絕佳選擇。不過和電池一樣，其性能也會隨著時間的推移而下降。電容器使用壽命通常 (而多少有些隨意) 被定義為電容下降 30% 和 / 或 ESR 增加 100% 所需的時間。如圖 4 所示，電容器性能的劣化會由于高工作電壓和高溫而加快。由于電容和電容器 ESR 對于確保系統執行可靠后備的能力均非常關鍵，因此系統應能夠監視和報告后備電容器老化過程中的 “健康狀況”，這一點是很重要。 圖 4：典型超級電容器使用壽命與溫度和電壓的關系 當電容器組滿充電時，LTC3350 可自動地以一種由用戶選擇的時間頻率對電容器組的電容和 ESR 進行監測。該器件采用一個精準的電流源、精準的定時電路及其內部 14 位 ADC 來準確地監視電容器組的電容。在充電器被強制關斷的同時從電容器組的頂端獲取一個精確的編程電流。精確地測量電容器組下降 200mV 所需的時間，并利用這些參數計算電容器組的電容。一旦電容測試完成，隨即通過在高電流充電器運行 (以對電容器組進行再充電) 及不運行的情況下測量電容器組電壓來實施 ESR 測試。采用充電器來完成此項測試可免除增設一個外部高功率測試負載的需要。充電器啟用時電容器組電壓的瞬間上升相當于實測充電電流 x 電容器組 ESR。最新的電容和電容器 ESR 數值可以隨時通過I2C回讀。 一旦獲知了電容器組的電容和 ESR 值，確保給定應用之可靠后備所需的最小電容器組電壓之計算就十分簡單了。由于大多數后備系統在設計時都留有內置裕量，所以把電容器組電壓從其標稱值降低往往是安全的，由此可最大限度地延長電容器的壽命。這可以通過 LTC3350 VCAP 反饋 DAC 電壓的軟件控制輕松地實現。 結論 超級電容器兼具非常高的電容和非常低的 ESR，因而使其能夠為應對諸如后備電源解決方案等常見問題提供全新的方法。然而，性能的大幅躍升往往伴隨著權衡取舍。為了有效地利用超級電容器常常必需進行電容器單元的串接，這反過來又需要保護和平衡電路。雖然超級電容器的循環壽命和使用壽命總體而言可能遠遠超過同類競爭的電池技術，但是電容器電壓和溫度的小幅變化均有可能導致系統性能在其運作期間發生巨大的波動。為此，在任何基于電容器的后備系統中，“健康” 監測通常都是一種必需具備的功能。LTC3350 等新型產品旨在解決諸如此類與超級電容器后備應用尤為相關的問題，并為開發可靠、靈活、高性能的后備解決方案提供了盡可能簡單的方法。 |
