RAID 系統(tǒng)就其本質(zhì)而言，旨在在面對(duì)不利環(huán)境時(shí)保存數(shù)據(jù)。其中一種情況（電源故障）不會(huì)直接威脅存儲(chǔ)在磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)，但會(huì)損害傳輸中的數(shù)據(jù)或臨時(shí)存儲(chǔ)在易失性內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。為了保護(hù)易失性數(shù)據(jù)，許多系統(tǒng)都集成了基于電池的備用電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供短期電源，足以讓RAID控制器將易失性數(shù)據(jù)寫(xiě)入非易失性存儲(chǔ)器。

問(wèn)題在于，性能需求的提高和綠色倡議給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了尋找電池替代品的壓力。電池是一種眾所周知的危險(xiǎn)材料，必須在監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定的嚴(yán)格準(zhǔn)則下進(jìn)行處理。由于無(wú)論是否使用，它們都需要定期更換，因此電池更換和處置是運(yùn)行數(shù)據(jù)中心成本的重要考慮因素。

閃存性能的進(jìn)步使得用更持久、更高性能和更環(huán)保的超級(jí)電容器替換這些系統(tǒng)中的電池成為可能。超級(jí)電容器由碳和鋁制成，不含重金屬，因此它們不會(huì)出現(xiàn)任何危險(xiǎn)材料處理問(wèn)題。此外，超級(jí)電容器比電池更堅(jiān)固，從而降低了維護(hù)成本——鋰離子電池的循環(huán)壽命為 500 次循環(huán)，而超級(jí)電容器的循環(huán)壽命為 <> 萬(wàn)次循環(huán)。超級(jí)電容器可以在幾分鐘內(nèi)充電到滿負(fù)荷，而電池可能需要長(zhǎng)達(dá)六個(gè)小時(shí)。盡管超級(jí)電容器的能量密度可能比鋰離子電池低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但閃存中功率要求的降低和超級(jí)電容器容量的增加使其成為數(shù)據(jù)恢復(fù)備份解決方案的可行儲(chǔ)能介質(zhì)。

在基于超級(jí)電容器的備用電源系統(tǒng)中，必須對(duì)串聯(lián)的電容器組充電并平衡電池電壓。超級(jí)電容器在需要時(shí)入電源路徑，負(fù)載的功率由DC/DC轉(zhuǎn)換器控制。圖 1 示出了一款基于超級(jí)電容器的備用電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一個(gè) LTC3625 超級(jí)電容器充電器、一個(gè)采用 LTC4412 的自動(dòng)電源交越開(kāi)關(guān)和一個(gè) LTM4616 雙輸出 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

圖1.超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的電路實(shí)現(xiàn)，用于在電源故障期間保持電源。

LTC?3625 是一款高效率超級(jí)電容器充電器，具有許多特性，使其成為 RAID 應(yīng)用中小型仰型備份的理想選擇。該器件采用 3mm × 4mm × 0.75mm 12 引腳 DFN 封裝，幾乎不需要外部元件。它具有高達(dá) 1A 的可編程平均充電電流、兩個(gè)串聯(lián)超級(jí)電容器的自動(dòng)電壓電池平衡和低靜態(tài)電流。當(dāng)輸入電源被移除或器件被停用時(shí)，LTC3625 會(huì)自動(dòng)進(jìn)入一種低電流狀態(tài)，從超級(jí)電容器吸收小于 1μA 的電流。

超級(jí)電容器特性

超級(jí)電容器的電容范圍從數(shù)百毫法拉到數(shù)千法拉不等。標(biāo)準(zhǔn)電壓額定值為 2.5V 和 2.7V，而封裝堆疊超級(jí)電容器可以大于 15V。 10F/2.7V 超級(jí)電容器采用 10mm × 30mm 2 端子徑向罐，而 400F/2.7V 超級(jí)電容器采用 35mm × 62mm 4 端子徑向罐。較大罐中的四個(gè)端子中的兩個(gè)用于機(jī)械穩(wěn)定性，并且未與任一電源端子電連接。

超級(jí)電容器在備用電源應(yīng)用中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是初始漏電流和電池電壓。初始漏電流可高達(dá)額定漏電流的50倍，在額定電壓下100小時(shí)后降至規(guī)定電流。超級(jí)電容器兩端施加的電壓對(duì)其使用壽命有重大影響。當(dāng)對(duì)串聯(lián)的超級(jí)電容器充電時(shí)，電壓平衡是充電電路的關(guān)鍵要求，以保持電容器的使用壽命。無(wú)源電壓平衡，即電阻器與每個(gè)超級(jí)電容器并聯(lián)放置，是一種簡(jiǎn)單的技術(shù)，但在充電器禁用時(shí)會(huì)不斷對(duì)超級(jí)電容器放電。有源電壓平衡（例如由 LTC3625 在充電過(guò)程中執(zhí)行的平衡）免除了增設(shè)這些電阻器的需要，并防止了超級(jí)電容器的過(guò)度充電。

備用電源應(yīng)用

有效的備用電源系統(tǒng)包含一個(gè)超級(jí)電容器堆棧，該堆棧能夠支持從易失性存儲(chǔ)器中傳輸完整的數(shù)據(jù)。DC/DC轉(zhuǎn)換器獲取超級(jí)電容器堆棧的輸出，并為數(shù)據(jù)恢復(fù)電子設(shè)備提供恒定電壓。數(shù)據(jù)傳輸必須在超級(jí)電容器堆棧兩端的電壓降至最小輸入工作電壓（VUV） 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

為了估計(jì)超級(jí)電容器組的最小電容，有效電路電阻（RT）需要確定。RT是超級(jí)電容器的ESR之和，分配損耗（R迪斯特） 和 RDS（ON）自動(dòng)分頻器的 MOSFET。

當(dāng)進(jìn)入 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電壓處于 VUV 時(shí)，允許有效電路電阻損失 10% 的輸入功率，RT 的最大值可由下式確定：

超級(jí)電容器堆棧兩端所需的電壓（VC（UV）） 在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的最小工作電壓下：

最小電容（CMIN） 要求現(xiàn)在可以根據(jù)所需的備份時(shí)間 （TBU）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)介W存中，初始堆棧電壓（VC（0）） 和 （VC（UV）).

最小電容（CMIN）是超級(jí)電容器堆棧的有效電容（CEFF），即一個(gè)超級(jí)電容器的電容除以堆棧中的超級(jí)電容器數(shù)量。表達(dá)式中用于計(jì)算RT的ESR是一個(gè)超級(jí)電容器的ESR乘以堆棧中超級(jí)電容器數(shù)量的乘積。超級(jí)電容器的壽命終止定義為電容降至其初始值的70%或ESR值翻倍。此壽命終止定義用于為設(shè)計(jì)選擇超級(jí)電容器。

超級(jí)電容器的ESR和電容都隨著施加頻率的增加而降低。制造商通常指定 ESR 為 1kHz，而有些制造商指定 ESR 為 1kHz 和直流。電容通常指定為直流電。確定超級(jí)電容器的實(shí)際電容和ESR的一種方法是向帶電的超級(jí)電容器施加恒定電流（I），并使用電壓衰減來(lái)確定這些參數(shù)。電壓（?V）的初始步進(jìn)C），忽略超級(jí)電容器的任何電感效應(yīng)，用于確定ESR。

在電壓的初始階躍之后，由于恒流負(fù)載，超級(jí)電容器兩端的電壓線性降低。通過(guò)以兩個(gè)時(shí)間間隔測(cè)量電壓，可以確定超級(jí)電容器的電容。

VC（t1）是第一個(gè)時(shí)間間隔 （T1） 處的電壓

VC（t2）是第二個(gè)時(shí)間間隔 （T2） 處的電壓

要確定的最后一個(gè)參數(shù)是超級(jí)電容器的充電電流（ICHARGE）。充電電流由超級(jí)電容器堆棧所需的恢復(fù)時(shí)間或充電時(shí)間（TRECHARGE）決定。

使用 LT3625 的超級(jí)電容器的充電曲線并不是人們所期望的經(jīng)典線性電壓斜坡 （參見(jiàn)圖 2）。這是由于 LT3625 的降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所致。

圖2.將配置文件充電到匹配的超級(jí)電容中

雙電容組的底部超級(jí)電容器首先充電至約1.35V （VMID（良好））。一旦底部電容器達(dá)到1.35V，升壓電路開(kāi)始為頂部超級(jí)電容器充電，從底部超級(jí)電容器移動(dòng)電荷。降壓轉(zhuǎn)換器繼續(xù)為底部超級(jí)電容器充電，但由于其部分電荷被移除，電壓上升較慢。如果升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流大于降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流，則底部超級(jí)電容器上的電壓降低，當(dāng)它因VMID（GOOD）遲滯衰減時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器關(guān)閉并保持關(guān)閉狀態(tài)，直到底部超級(jí)電容器充電回VMID（GOOD）。

如果頂部超級(jí)電容器超過(guò)底部超級(jí)電容器50mV，則升壓轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，直到底部超級(jí)電容器比頂部超級(jí)電容器高50mV。最后，如果底部超級(jí)電容器達(dá)到其最大閾值，降壓轉(zhuǎn)換器關(guān)斷，升壓轉(zhuǎn)換器保持導(dǎo)通。底部超級(jí)電容器上的電壓停止，降壓轉(zhuǎn)換器保持關(guān)斷狀態(tài)，直到電壓降低50mV。此過(guò)程一直持續(xù)到VOUT達(dá)到其編程的充電器終止電壓。

圖 2 中的圖表顯示了 LTC3625 的兩種配置的充電曲線，即在 RPROG 設(shè)置為 143k 的情況下，將兩個(gè) 10F 超級(jí)電容器的堆棧充電至 5.3V。該圖與以下公式相結(jié)合，用于確定RPROG的值，該值將為目標(biāo)應(yīng)用中的實(shí)際超級(jí)電容器產(chǎn)生所需的充電時(shí)間。

VC（UV）是超級(jí)電容器的最低電壓，DC/DC轉(zhuǎn)換器可以在該電壓下產(chǎn)生所需的輸出。VOUT 是目標(biāo)應(yīng)用中 LTC3625 的輸出電壓 （由 VSEL 引腳設(shè)定）。TESTIMATE是從VC（UV）充電到5.3V所需的時(shí)間，從充電曲線推斷。TRECHARGE是目標(biāo)應(yīng)用中所需的充電時(shí)間。

啟動(dòng)時(shí)的初始充電時(shí)間由 70 秒的完全充電時(shí)間確定。

設(shè)計(jì)示例

例如，假設(shè)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到閃存中需要 45 秒，其中 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入功率為 20W。紫外線的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為 2.7V。一 噸充值需要十分鐘。施加到超級(jí)電容器的電壓直接影響其使用壽命，因此我們不希望在每個(gè)堆疊電容上施加全額定電壓（2.7V）。電池組的全充電電壓設(shè)置為4.8V，這是延長(zhǎng)超級(jí)電容器壽命和盡可能多地利用存儲(chǔ)容量之間的良好折衷。R 的組成部分T估計(jì)：R分配= 10mΩ，ESR = 20mΩ 和 RDS（ON）= 10mΩ。

RT（MAX） = 36mΩ 和 RT = 40mΩ 的估計(jì)值對(duì)于設(shè)計(jì)的這一階段來(lái)說(shuō)足夠接近。當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器掉線時(shí)，超級(jí)電容器組所需的電壓為：

堆棧的要求電容為：

兩個(gè) 360F 超級(jí)電容器 （NessCap ESHSR-0360C0-002R7A） 的堆棧具有 126F 的報(bào)廢電容。初始 ESR 的額定值為 3.2mΩ，壽命終止 ESR 為 6.4mΩ。

交越開(kāi)關(guān)由一個(gè) LTC4412 PowerPath? 控制器和兩個(gè)來(lái)自 Vishay 的 Si4421DY、P 溝道 MOSFET 組成。柵極電壓為2.5V的Si4421DY的RDS（ON）為10.75mΩ（最大值）。

使用超級(jí)電容器的壽命結(jié)束ESR值和實(shí)際MOSFET的RDS（ON），可以確定最大互連電阻：

LTC3625 具有兩種工作配置模式。單電感器配置用于小于0.5A的超級(jí)電容器充電電流，雙電感器配置用于高達(dá)1A的充電電流。對(duì)于此應(yīng)用，2電感器配置用于滿足360F超級(jí)電容器的充電時(shí)間要求。

確定 R 的值進(jìn)度，堆棧電容是在超級(jí)電容器的初始電容加上其容差的高壓側(cè)（20%）處估計(jì)的。從圖2中的圖表可以看出，3V至5.3V的充電時(shí)間估計(jì)為32秒。

最接近的標(biāo)準(zhǔn)1%電阻為78.7k。

初始啟動(dòng)時(shí)間估計(jì)為：

數(shù)據(jù)手冊(cè)建議降壓和升壓電感均采用 3.3μH 電感 （Coilcraft MSS7341-332NL）。

LTC3625 包含一個(gè)電源故障比較器，該比較器用于監(jiān)視輸入電源以啟用 LTC4412 PowerPath 控制器。PFO 比較器具有一個(gè) 1.2V 的內(nèi)部基準(zhǔn)，連接到比較器的負(fù)輸入。連接到PFI引腳的分壓器設(shè)置電源故障觸發(fā)點(diǎn)（V聚苯乙烯） 至 4.75V。底部電阻設(shè)置為100k，因此上電阻為：

最接近的標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻為 294k。

電路在行動(dòng)圖 1 示出了一套完整的超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 LT33625、兩個(gè)線藝 3.3μH 電感器和 NessCap 的兩個(gè) 360F 超級(jí)電容器組成。LTC4412 和兩個(gè) Vishay Si4421DY MOSFET 構(gòu)成了自動(dòng)交越開(kāi)關(guān)，而 LTM4616 是代表儲(chǔ)能系統(tǒng)的恒定功率負(fù)載的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

圖 3 示出了 LTC1112 充電電路的初始充電時(shí)間為 3625 秒。使用標(biāo)稱元件值，初始充電時(shí)間為 1255 秒，完全在元件公差范圍內(nèi)。在最初的250秒內(nèi)，只有降壓轉(zhuǎn)換器對(duì)底部超級(jí)電容器充電，一旦電壓達(dá)到1.35V，升壓轉(zhuǎn)換器就開(kāi)始工作。降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器在接下來(lái)的500秒內(nèi)繼續(xù)工作。對(duì)充電曲線的一個(gè)有趣觀察是，750秒后，斜率和輸入電壓上的紋波電壓的變化是由于降壓轉(zhuǎn)換器在充電的最后幾分鐘內(nèi)關(guān)閉和打開(kāi)。

圖3.耗盡串聯(lián)連接的 360F 超級(jí)電容器對(duì)的初始充電

圖4顯示了負(fù)載為20W的系統(tǒng)備份時(shí)間。所需的備份時(shí)間為 45 秒，而我們的系統(tǒng)支持負(fù)載為 76.6 秒?？捎脗浞輹r(shí)間較長(zhǎng)是由于寄生電路電阻低于估計(jì)值，并且DC/DC轉(zhuǎn)換器繼續(xù)在低至2.44V而不是設(shè)計(jì)計(jì)算中的2.7V下工作。當(dāng)1.8V轉(zhuǎn)換器關(guān)閉時(shí)，可以看到1.2V轉(zhuǎn)換器的輸出再次打開(kāi)。這種“摩托艇”效應(yīng)是由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓升高引起的，當(dāng) 1.2V 轉(zhuǎn)換器部分關(guān)閉時(shí)，輸入電流減小。這可以通過(guò)增加一個(gè)具有足夠遲滯的外部欠壓鎖定電路來(lái)禁用DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)消除。

圖4.支持20W負(fù)載的超級(jí)電容器備份時(shí)間

最后，圖5顯示了備份操作后超級(jí)電容器的充電時(shí)間。充電時(shí)間實(shí)際上是 685 秒，而計(jì)算中使用的時(shí)間為 600 秒。充電時(shí)間越長(zhǎng)，是因?yàn)镈C/DC轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)電壓較低，為2.44V。

圖5.串聯(lián)的一對(duì) 360F 超級(jí)電容器的充電

結(jié)論

超級(jí)電容器正在取代電池，以滿足數(shù)據(jù)中心的綠色倡議要求。LTC?3625 是一款具有自動(dòng)電池平衡功能的高效 1A 超級(jí)電容器充電器，可與 LTC4412 低損耗 PowerPath 控制器結(jié)合使用，以產(chǎn)生一個(gè)用于保護(hù) RAID 磁盤(pán)應(yīng)用中數(shù)據(jù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。LTC3625 采用 12 引腳 3mm × 4mm × 0.75mm DFN 封裝。

審核編輯：郭婷