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需要備用電源？保持電源連續性

2021-06-07 13:37:28 ADI

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在當今持續運轉的世界里，無論外部環境或運行條件如何，許多電子系統持續運行是常見現象。換句話說，系統電源的任何故障，無論是瞬時、以秒計還是以分鐘計的故障，都必須在設計過程中加以考慮。處理此類情況的最常見的方式是使用不間斷電源(UPS)來彌補這些短暫的停機時間，從而確保系統以高可靠性連續運行。同樣，當今有許多應急和備用系統用來為樓宇系統提供備用電源，以保證安保系統和關鍵設備能夠在斷電期間（無論根本原因是什么）保持運行。

我們日常生活中使用的無處不在的手持電子設備中可以很容易找到一些明顯的例子。由于可靠性至關重要，手持設備采用輕便電源精心設計，可在一般條件下可靠使用。但是，再精心的設計也無法防止人們的誤操作。例如，手持便攜式掃描設備從工廠工人手中掉下，導致其電池摔出來。這些事件在電子學上是不可預測的，如果沒有某種形式的安全網——即某種短期電力保持系統，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據存儲到永久性存儲器中——存儲在易失性存儲器中的重要數據將會丟失。

此例清楚地說明了電子系統需要其他形式的電源，以便在主電源中斷時有電可用。
在汽車電子系統中，有許多應用需要用到連續電源，哪怕汽車處于駐車狀態（發動機未運轉），例如遙控無鑰匙進入、安全、甚至個人信息娛樂系統。這些系統通常包含導航、GPS定位和eCall功能。很容易理解為什么這些系統即使在汽車不行駛時也必須保持開啟，因為這些系統的GPS必須始終在線以用于緊急和安全目的。這是必然的要求，以便在必要時可由外部操作員激活基本控制。

考慮eCall系統（以美國通用汽車公司的OnStar®系統為例），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。事實上，歐洲強制性要求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。這是一項相當簡單的技術：當發生碰撞，汽車安全氣囊打開時，eCall系統自動聯絡應急服務。它通過GPS將時間、位置、汽車類型和所用燃油種類傳遞給有關機構。同時在該系統激活后，您可以利用汽車中的麥克風與呼叫處理人員直接通話。eCall系統可以告知事故發生時您沿哪個方向行駛，以便有關機構知道需要從道路哪一邊進入事故現場。所有這一切讓救護車、警察和消防員能夠在事發后盡快到達現場，并掌握盡可能多的信息。個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

了解眾多系統需要備用電源后，隨之而來的問題是：此類備用電源的儲存介質有哪些選擇？傳統選擇是電容和電池。
可以說，電容技術在電力傳輸和配送應用中發揮重要作用已有數十年之久。例如，傳統的薄膜和油基電容的設計能實現很多種功能，包括功率因數校正和電壓平衡等。但是，過去十年中進行了大量的研究和開發，使得電容設計和容量有了顯著進步。這些先進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。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。
超級電容不僅結構緊湊，而且穩健可靠，可滿足備用電源系統的要求，應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或串聯堆疊，甚至采取串并聯組合，為最終應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。與標準陶瓷電容、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，但在需要高電流/短時備用電源的數據存儲應用中，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電流或短暫備用電池的高峰值功率和便攜式應用中，例如UPS系統。與電池相比，超級電容以更小的尺寸提供更高的突發峰值功率，并且充電循環次數更多，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。

Batteries, on the other hand, can store a lot of energy, but are limited in terms of power density and delivery.

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。電池內部會發生化學反應，故其充電循環次數很有限。因此，如果要在較長時間里輸送適量功率，那么電池最有效，而讓電池非常迅速地輸出大電流，則會嚴重縮短其有效使用壽命。表1總結了超級電容、普通電容和電池的優缺點。

表1.超級電容與普通電容和電池的特性比較

參數	超級電容	普通電容	電池
儲能	瓦秒能量	瓦秒能量	瓦時能量
充電方法	端子間的電壓（例如從電池）	端子間的電壓（例如從電池）	電流和電壓
電力輸送	快速放電，電壓線性或指數衰減	快速放電，電壓線性或指數衰減	長時間恒定電壓
充電/放電時間	毫秒至秒	皮秒至毫秒	1小時至 10小時
外形尺寸	小	小至大	大
重量	1 g至2 g	1 g至10 kg	1g至10 kg以上
能量密度(Wh/kg)	1至5	0.01至0.05	8至600
功率密度(W/kg)	高， >4000	高， >5000	低，100至3000
工作電壓	2.3 V至 2.75 V/單元	6 V至800 V	1.2 V至 4.2 V/單元
壽命	>100k次循環	>100k次循環	150至 1500次循環
工作溫度(°C)	-40至+85	-20至+100	-20至+65

新型備用管理器電源解決方案

現在我們已經明確，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完整的鋰離子電池備用電源管理系統，其必須能夠在主電源發生故障時讓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間供電的應用使用電池更合適。相應地，任何IC解決方案都會需要片內雙向同步轉換器，以便對備用電池高效率充電；如果主電源軌發生中斷，它還能向下游負載提供高電流備用電源。因此，當外部電源可用時，該器件將用作單節鋰離子或LiFePO4電池的降壓電池充電器，同時賦予系統負載以優先權。然而，如果輸入電源突然降至可調電源失效輸入(PFI)閾值以下，該IC將需要充當升壓調節器，以從備用電池向系統輸出提供幾安培的電流。因此，如果發生電源故障，該IC將需要執行電源路徑控制，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的典型應用包括車隊和資產跟蹤、汽車GPS數據記錄器、汽車遠程信息處理系統、收費系統、安全系統、通信系統、工業備用電源及USB供電設備。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用原理圖。

圖1.采用LTC4040且使用用戶設置PFI閾值的備用電源。
LTC4040還有可選的過壓保護(OVP)功能，通過外部FET保護IC免受高于60 V的輸入電壓的影響。其可調輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時系統負載電流優先于電池充電電流。外部斷開開關在備用電源供電期間將主輸入電源與系統隔離開來。LTC4040的2.5 A電池充電器提供8種針對鋰離子電池和LiFePO4電池優化的可選充電電壓。該器件還具有輸入電流監控功能、輸入電源喪失指示器和系統電源喪失指示器。
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間喪失的場合，但它是需要高功率、短時間備用電源的系統的出色選擇。因此，任何支持此類應用的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，這使其成為短時間內需要高峰值功率備用電源的系統的理想選擇。舉例來說，ADI公司Power by Linear產品線中的LTC4041使用片內雙向同步轉換器，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。當外部電源可用時，該器件用作一個或兩個超級電容單元的降壓電池充電器，同時賦予系統負載以優先權。當輸入電源降至可調PFI閾值以下時，LTC4041切換到升壓工作模式，可以從超級電容向系統負載提供最高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、工業報警器、服務器和固態驅動器。圖2顯示了一個典型LTC4041應用原理圖。

圖2.LTC4041超級電容備用電源應用原理圖。
LTC4041有一個可選的OVP功能，使用外部FET來保護IC免受高于60 V的輸入電壓的影響。內部超級電容平衡電路使每個超級電容上的電壓保持相等，并將每個超級電容的最大電壓限制在預定值。其可調輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時系統負載電流優先于電池充電電流。外部斷開開關在備用電源供電期間將主輸入電源與系統隔離開來。該器件還具有輸入電流監控功能、輸入電源失效指示器和系統電源失效指示器。

結論

如果要求系統必須持續可用，即便主電源失效或短暫中斷也不能停機，那么提供備用電源永遠是明智選擇。幸運的是，有很多IC選擇可供設計人員考慮以滿足特定需求，包括LTC4040/LTC4041備用管理器。當主電源中斷或喪失時，此類IC很容易讓備用電源發揮作用，無論其儲存介質是超級電容、電解電容器還是電池。LTC4040和/或LTC4041具有為終端系統提供備用電源的功能，無論是瞬時突發供電還是長時間供電。因此，請確保您的系統在需要時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產品部門的產品營銷總監。他負責電源轉換和管理產品從上市到停產的所有事務。加入ADI之前，Tony在Linear Technology（現為ADI公司一部分）、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel擔任過營銷、銷售和運營方面的不同職位。他畢業于英格蘭曼徹斯特大學，獲得應用數學（榮譽）學士學位。聯系方式：anthony.armstrong@analog.com
Steve Knoth是ADI公司Power by Linear部門的高級產品營銷工程師。他負責所有電源管理集成電路(PMIC)產品、低壓差穩壓器(LDO)、電池充電器、電荷泵、基于電荷泵的發光二極管驅動器、超級電容器充電器、低壓單片開關穩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擔任過不同營銷和產品工程職位，之后于2004年加入Linear Technology（現為ADI公司一部分）。他于1988年獲得圣何塞州立大學電氣工程學士學位，并于1995年獲得該大學物理學碩士學位。2000年，Steve還獲得了鳳凰城大學技術管理碩士學位(MBA)。除了與孩子們共度美好時光之外，Steve還喜歡玩彈球/街機游戲或肌肉車，以及購買、銷售、收藏古董玩具和電影/體育/汽車紀念品。聯系方式：steve.knoth@analog.com

關鍵詞：電源 ADI 工業電子