臨時(shí)備用電源是各種應(yīng)用的常見要求，每當(dāng)主電源突然不可用時(shí)。示例包括從服務(wù)器到固態(tài)驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)備份應(yīng)用、工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用中的電源故障警報(bào)，以及許多其他“垂死的喘息”功能，其中必須確保有序斷電并將系統(tǒng)狀態(tài)傳達(dá)給通電主機(jī)。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(shí)提供不間斷電源。然而，電池備份伴隨著許多權(quán)衡，包括長(zhǎng)充電時(shí)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物理尺寸。隨著高價(jià)值雙電層電容器（更廣為人知的超級(jí)電容器）的出現(xiàn)，可以采用替代備份架構(gòu)來消除許多這些權(quán)衡。

電池與電容器

依賴電池作為備用電源的系統(tǒng)要求始終提供充滿電的電池，并具有適當(dāng)?shù)娜萘?，以保持易失性?nèi)存存活或警報(bào)響起，直到電源恢復(fù)。通常，每當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，采用備用電池的系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)，并且只有系統(tǒng)的關(guān)鍵易失性存儲(chǔ)器或報(bào)警部分保持供電。由于無法預(yù)測(cè)電源故障持續(xù)時(shí)間，因此此類系統(tǒng)需要超大尺寸的電池，以避免在長(zhǎng)時(shí)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(gè)備份時(shí)間內(nèi)提供連續(xù)電源的基于電池的系統(tǒng)不同，基于電容器的系統(tǒng)只需要短期備用電源，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(shí)間內(nèi)提供“垂死的喘息”報(bào)警操作。保存所需數(shù)據(jù)并正確發(fā)出電源故障警報(bào)后，電源恢復(fù)時(shí)間就不重要了。

這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，可以完全避免與電池相關(guān)的眾多權(quán)衡。也不再需要在最壞情況下的備份持續(xù)時(shí)間下過大的能量存儲(chǔ)元件。雖然基于電容器的系統(tǒng)所需的備用電源要求通常遠(yuǎn)高于基于電池的系統(tǒng)，但備用能源要求通常要低得多。由于備份解決方案的成本和尺寸通常由存儲(chǔ)元件主導(dǎo)，因此電容器解決方案通常更小且更便宜。隨著能夠存儲(chǔ)大量焦耳能量的小型、相對(duì)便宜的超級(jí)電容器的出現(xiàn)，可以用電容器代替電池來滿足的備份應(yīng)用的數(shù)量已經(jīng)大大增加。

備份系統(tǒng)要求

所有基于電容器的備份系統(tǒng)共享許多共同元件。? 需要電源路徑控制和電源故障檢測(cè)，以便從正確的電源向負(fù)載供電，并在從正常操作轉(zhuǎn)換到備用模式時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。存儲(chǔ)電容器需要充電，理想情況下，這是以快速、高效的方式完成的。由于除非在備用電容器上存儲(chǔ)足夠數(shù)量的焦耳，否則無法進(jìn)行正確的備份，因此許多應(yīng)用要求在系統(tǒng)啟動(dòng)并準(zhǔn)備好運(yùn)行時(shí)完成充電。因此，通常需要高充電電流，并且由于超級(jí)電容器的最大工作電壓通常為2.7V，因此通常并且通常需要串聯(lián)堆疊多個(gè)超級(jí)電容器。在這種情況下，必須在電容器充電時(shí)進(jìn)行平衡和保護(hù)，以防止由于過壓而損壞和壽命下降。

圖 1 示出了 LTC3350 的簡(jiǎn)化原理圖，LTC3350 是一款專為滿足電容器備份應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電容器充電器和備份控制器 IC。LTC3350 包括為需要基于電容器的備份的應(yīng)用提供完整、獨(dú)立的備份控制器所需的所有功能。該器件可對(duì)多達(dá)四個(gè)串聯(lián)電容器進(jìn)行充電、平衡和保護(hù)。輸入電源故障門限、電容器充電電壓和調(diào)節(jié)的最小備份電壓均可利用外部電阻器進(jìn)行設(shè)置。此外，該器件還包含一個(gè)非常精確的 14 位內(nèi)部測(cè)量 ADC，用于監(jiān)控輸入、輸出以及電容器電壓和電流。內(nèi)部測(cè)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回讀2可以設(shè)置C總線和報(bào)警級(jí)別，以提醒系統(tǒng)任何這些測(cè)量參數(shù)的突然變化。

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圖1.大電流超級(jí)電容器充電器和備用控制器

超級(jí)電容器充電基礎(chǔ)知識(shí)

為超級(jí)電容充電類似于為電池充電，除了幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。第一種是，完全放電的電容器可以在整個(gè)充電周期內(nèi)以全電流充電，而電池需要涓流充電，直到電池達(dá)到指定的最小電壓。第二點(diǎn)是電容器不需要終止定時(shí)器。一旦達(dá)到最終的“浮動(dòng)”電壓，電容器就不能存儲(chǔ)額外的電荷，并且必須停止充電。如果兩個(gè)或多個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)充電，則電池與電池之間的任何電容不匹配都將導(dǎo)致每個(gè)電容器在電池組充電時(shí)出現(xiàn)不同的電壓增加速率。需要具備額外的安全功能，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)來確保一旦電池組充電，所有電池都會(huì)被迫達(dá)到相同的電壓，并且不會(huì)因自放電差異而隨著時(shí)間的推移而漂移。這種電池間平衡可確保最長(zhǎng)的電容器使用壽命。

LTC3350 中的充電電路由一個(gè)高電流、同步降壓型控制器和一個(gè)電阻器組成，可設(shè)置最大充電電流和最大堆棧電壓（圖 2）。由于充電器由為負(fù)載供電的同一電源供電，因此 LTC3350 還包含一個(gè)單獨(dú)的可編程輸入電流限值，該限值可在重 V 電壓下自動(dòng)減小電容器的充電電流外負(fù)載條件。內(nèi)部低電流平衡器（圖2中未顯示）強(qiáng)制所有電池之間的電壓在10mV以內(nèi)，每節(jié)電池的最大電壓為5V。內(nèi)部保護(hù)分流器（也未顯示）將自動(dòng)降低充電電流，并在已達(dá)到2.7V默認(rèn)值或用戶編程的最大電池電壓的任何電容器周圍分流剩余充電電流。此外，在軟件控制下，可以降低電池組充電電壓，以便在給定的備用能量要求下優(yōu)化電容器壽命。有關(guān)此主題的更多信息如下。

圖2.大電流超級(jí)電容器充電器和備用控制器

備份模式

一旦備用電容器組充電，系統(tǒng)現(xiàn)在能夠提供備用電源。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在電壓下降導(dǎo)致PFI比較器跳變低，器件立即進(jìn)入備份模式（見圖3）。V外將下降為 V在下降，一旦 V外電壓低于電容組電壓，OUTFET理想二極管導(dǎo)通以防止V外從進(jìn)一步下降。一次 V外電容充電器降至由 OUTFB 引腳上的電阻分壓器設(shè)置的電壓，與同步升壓備份 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以相反方向工作，使用 VCAP 堆棧作為其輸入源和 V外作為其調(diào)節(jié)輸出。升壓備份轉(zhuǎn)換器將繼續(xù)運(yùn)行，直到它無法再支持 V外負(fù)載條件和 V 上的電壓外低于 4.5V UVLO 點(diǎn)。這允許超級(jí)電容堆棧中的幾乎所有可用能量在備份期間傳輸?shù)截?fù)載，因?yàn)楫?dāng)堆棧電壓遠(yuǎn)低于4.5V時(shí)，升壓將繼續(xù)運(yùn)行。典型的備份方案也如圖 3 所示。在本例中，由四個(gè)串聯(lián)電容組成的堆棧充電至10V，在備份模式V期間外被調(diào)節(jié)至最小 8V，直到備用電容器的所有能量耗盡。

圖3.備份模式下的電源路徑操作

“運(yùn)行狀況”監(jiān)控可確?？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(chǔ)足夠的能量并使其可用，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(jí)電容器是此類應(yīng)用的絕佳選擇，因?yàn)樗鼈兙哂袠O高的單位體積電容和非常低的 ESR。但是，與電池一樣，它們的性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。電容壽命通常（有點(diǎn)任意）定義為電容下降30%和/或ESR增加100%所需的時(shí)間。如圖4所示，高工作電壓或高溫會(huì)加速電容器退化。由于電容和電容ESR對(duì)于確保系統(tǒng)能夠執(zhí)行可靠的備份至關(guān)重要，因此系統(tǒng)能夠監(jiān)控和報(bào)告?zhèn)溆秒娙堇匣瘯r(shí)的“健康狀況”非常重要。

圖4.典型超級(jí)電容器壽命與溫度和電壓的關(guān)系

一旦電容器堆棧充滿電，LTC3350 就會(huì)以用戶選擇的時(shí)間頻率自動(dòng)監(jiān)視堆棧電容和堆棧 ESR。該器件采用精密電流源、精密定時(shí)電路及其內(nèi)部 14 位 ADC 來精確監(jiān)控堆棧電容。當(dāng)充電器被強(qiáng)制關(guān)閉時(shí)，從電容器組的頂部拉出精確的編程電流。精確測(cè)量電容器組下降200mV所需的時(shí)間，并根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算堆棧電容。電容測(cè)試完成后，ESR測(cè)試是通過測(cè)量堆棧電壓來完成的，無論是否運(yùn)行大電流充電器以重新充電堆棧。使用充電器執(zhí)行此測(cè)試，無需外部高功率測(cè)試負(fù)載。充電器使能后，電池組電壓的瞬時(shí)增加對(duì)應(yīng)于測(cè)量的充電電流*堆棧ESR。電容和電容ESR的最新值可以隨時(shí)通過I回讀2C.

一旦知道堆棧電容和ESR值，就可以直接計(jì)算所需的最小堆棧電壓，以確保給定應(yīng)用的可靠備份。由于大多數(shù)備份系統(tǒng)設(shè)計(jì)有內(nèi)置裕量，因此通常可以安全地將堆棧電壓從其標(biāo)稱值降低，從而最大限度地延長(zhǎng)電容器的使用壽命。這可通過軟件控制 LTC3350 VCAP 反饋 DAC 電壓輕松實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論

非常高的電容和非常低的ESR相結(jié)合，使超級(jí)電容器能夠?yàn)榻鉀Q常見問題（如備用電源解決方案）提供新的方法。然而，性能的巨大飛躍很少?zèng)]有權(quán)衡。有效利用超級(jí)電容通常需要串聯(lián)電池，而串聯(lián)電池又需要保護(hù)和平衡電路。雖然超級(jí)電容器的循環(huán)壽命和壽命通?？赡苓h(yuǎn)遠(yuǎn)超過競(jìng)爭(zhēng)電池技術(shù)，但隨著時(shí)間的推移，電容電壓和溫度的微小變化可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功能發(fā)生巨大變化。因此，“健康”監(jiān)控通常是任何基于電容器的備份系統(tǒng)的必備功能。新產(chǎn)品（如 LTC3350）旨在解決專門與超級(jí)電容器備份應(yīng)用相關(guān)的此類問題，并為開發(fā)可靠、靈活、高性能的備份解決方案提供最簡(jiǎn)單的方法。

審核編輯：郭婷