在當(dāng)今持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的世界里，無(wú)論外部環(huán)境或運(yùn)行條件如何，許多電子系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行是常見(jiàn)現(xiàn)象。換句話說(shuō)，系統(tǒng)電源的任何故障，無(wú)論是瞬時(shí)、以秒計(jì)還是以分鐘計(jì)的故障，都必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中加以考慮。處理此類情況的最常見(jiàn)的方式是使用不間斷電源(UPS)來(lái)彌補(bǔ)這些短暫的停機(jī)時(shí)間，從而確保系統(tǒng)以高可靠性連續(xù)運(yùn)行。同樣，當(dāng)今有許多應(yīng)急和備用系統(tǒng)用來(lái)為樓宇系統(tǒng)提供備用電源，以保證安保系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備能夠在斷電期間（無(wú)論根本原因是什么）保持運(yùn)行。
我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫臒o(wú)處不在的手持電子設(shè)備中可以很容易找到一些明顯的例子。由于可靠性至關(guān)重要，手持設(shè)備采用輕便電源精心設(shè)計(jì)，可在一般條件下可靠使用。但是，再精心的設(shè)計(jì)也無(wú)法防止人們的誤操作。例如，手持便攜式掃描設(shè)備從工廠工人手中掉下，導(dǎo)致其電池摔出來(lái)。這些事件在電子學(xué)上是不可預(yù)測(cè)的，如果沒(méi)有某種形式的安全網(wǎng)——即某種短期電力保持系統(tǒng)，其中儲(chǔ)存有足夠的能量來(lái)提供備用電源，直到電池被更換或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到永久性存儲(chǔ)器中——存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)器中的重要數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。
此例清楚地說(shuō)明了電子系統(tǒng)需要其他形式的電源，以便在主電源中斷時(shí)有電可用。
在汽車電子系統(tǒng)中，有許多應(yīng)用需要用到連續(xù)電源，哪怕汽車處于駐車狀態(tài)（發(fā)動(dòng)機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)），例如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入、安全、甚至個(gè)人信息娛樂(lè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常包含導(dǎo)航、GPS定位和eCall功能。很容易理解為什么這些系統(tǒng)即使在汽車不行駛時(shí)也必須保持開(kāi)啟，因?yàn)檫@些系統(tǒng)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(shí)可由外部操作員激活基本控制。
考慮eCall系統(tǒng)（以美國(guó)通用汽車公司的OnStar®系統(tǒng)為例），其在全球的新車上越來(lái)越普遍，許多制造商的各系車型上均已裝備這種系統(tǒng)。事實(shí)上，歐洲強(qiáng)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(tǒng)。這是一項(xiàng)相當(dāng)簡(jiǎn)單的技術(shù)：當(dāng)發(fā)生碰撞，汽車安全氣囊打開(kāi)時(shí)，eCall系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)絡(luò)應(yīng)急服務(wù)。它通過(guò)GPS將時(shí)間、位置、汽車類型和所用燃油種類傳遞給有關(guān)機(jī)構(gòu)。同時(shí)在該系統(tǒng)激活后，您可以利用汽車中的麥克風(fēng)與呼叫處理人員直接通話。eCall系統(tǒng)可以告知事故發(fā)生時(shí)您沿哪個(gè)方向行駛，以便有關(guān)機(jī)構(gòu)知道需要從道路哪一邊進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)。所有這一切讓救護(hù)車、警察和消防員能夠在事發(fā)后盡快到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，并掌握盡可能多的信息。個(gè)人通過(guò)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(kāi)），仍然可以輕松呼叫幫助。
儲(chǔ)存介質(zhì)
了解眾多系統(tǒng)需要備用電源后，隨之而來(lái)的問(wèn)題是：此類備用電源的儲(chǔ)存介質(zhì)有哪些選擇？傳統(tǒng)選擇是電容和電池。
可以說(shuō)，電容技術(shù)在電力傳輸和配送應(yīng)用中發(fā)揮重要作用已有數(shù)十年之久。例如，傳統(tǒng)的薄膜和油基電容的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)很多種功能，包括功率因數(shù)校正和電壓平衡等。但是，過(guò)去十年中進(jìn)行了大量的研究和開(kāi)發(fā)，使得電容設(shè)計(jì)和容量有了顯著進(jìn)步。這些先進(jìn)的電容被稱為超級(jí)電容，非常適合用于電池儲(chǔ)能和備用電源系統(tǒng)。超級(jí)電容的總儲(chǔ)能量有限，但其能量密度非常高。此外，超級(jí)電容具有快速釋放高能量并快速充電的能力。
超級(jí)電容不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且穩(wěn)健可靠，可滿足備用電源系統(tǒng)的要求，應(yīng)對(duì)上面所說(shuō)的短期電源喪失事件。另外，超級(jí)電容很容易并聯(lián)或串聯(lián)堆疊，甚至采取串并聯(lián)組合，為最終應(yīng)用提供必要的電壓和電流。然而，超級(jí)電容不僅僅是具有非常大容值的電容器。與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷電容、鉭電容或電解電容相比，同樣尺寸和重量的超級(jí)電容具有更高的能量密度和更大的電容。雖然超級(jí)電容需要特殊維護(hù)，但在需要高電流/短時(shí)備用電源的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中，其超越甚至可以替換電池。
此外，超級(jí)電容還可用于各種需要高突發(fā)電流或短暫備用電池的高峰值功率和便攜式應(yīng)用中，例如UPS系統(tǒng)。與電池相比，超級(jí)電容以更小的尺寸提供更高的突發(fā)峰值功率，并且充電循環(huán)次數(shù)更多，工作溫度范圍更寬。通過(guò)降低超級(jí)電容的上截止電壓并避免高溫(> 50°C)，可以最大限度地延長(zhǎng)超級(jí)電容的使用壽命。
另一方面，電池可以儲(chǔ)存大量能量，但在功率密度和輸送方面有局限性。電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故其充電循環(huán)次數(shù)很有限。因此，如果要在較長(zhǎng)時(shí)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(huì)嚴(yán)重縮短其有效使用壽命。表1總結(jié)了超級(jí)電容、普通電容和電池的優(yōu)缺點(diǎn)。
表 1. 超級(jí)電容與普通電容和電池的特性比較
參數(shù)
超級(jí)電容
普通電容
電池
儲(chǔ)能
瓦秒能量
瓦秒能量
瓦時(shí)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(shù)衰減
快速放電，電壓線性或指數(shù)衰減
長(zhǎng)時(shí)間恒定電壓
充電/放電時(shí)間
毫秒至秒
皮秒至毫秒
1小時(shí)至
10小時(shí)
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(huán)
>100k次循環(huán)
150至
1500次循環(huán)
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(xiàn)在我們已經(jīng)明確，超級(jí)電容、電池和/或二者的組合可以用作幾乎所有電子系統(tǒng)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(huì)需要一個(gè)完整的鋰離子電池備用電源管理系統(tǒng)，其必須能夠在主電源發(fā)生故障時(shí)讓3.5 V至5 V電源軌保持供電。電池提供的能量比超級(jí)電容要多很多，因此需要備用電源長(zhǎng)時(shí)間供電的應(yīng)用使用電池更合適。相應(yīng)地，任何IC解決方案都會(huì)需要片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器，以便對(duì)備用電池高效率充電；如果主電源軌發(fā)生中斷，它還能向下游負(fù)載提供高電流備用電源。因此，當(dāng)外部電源可用時(shí)，該器件將用作單節(jié)鋰離子或LiFePO4電池的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統(tǒng)負(fù)載以優(yōu)先權(quán)。然而，如果輸入電源突然降至可調(diào)電源失效輸入(PFI)閾值以下，該IC將需要充當(dāng)升壓調(diào)節(jié)器，以從備用電池向系統(tǒng)輸出提供幾安培的電流。因此，如果發(fā)生電源故障，該IC將需要執(zhí)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(wú)縫切換。這種IC的典型應(yīng)用包括車隊(duì)和資產(chǎn)跟蹤、汽車GPS數(shù)據(jù)記錄器、汽車遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)備用電源及USB供電設(shè)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(yīng)用原理圖。
圖 1. 采用 LTC4040 且使用用戶設(shè)置 PFI 閾值的備用電源。
LTC4040還有可選的過(guò)壓保護(hù)(OVP)功能，通過(guò)外部FET保護(hù)IC免受高于60 V的輸入電壓的影響。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時(shí)系統(tǒng)負(fù)載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開(kāi)開(kāi)關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。LTC4040的2.5 A電池充電器提供8種針對(duì)鋰離子電池和LiFePO4電池優(yōu)化的可選充電電壓。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源喪失指示器和系統(tǒng)電源喪失指示器。
與電池類似的是超級(jí)電容。然而，超級(jí)電容不支持主電源長(zhǎng)時(shí)間喪失的場(chǎng)合，但它是需要高功率、短時(shí)間備用電源的系統(tǒng)的出色選擇。因此，任何支持此類應(yīng)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(jí)電容的功率密度高于電池，這使其成為短時(shí)間內(nèi)需要高峰值功率備用電源的系統(tǒng)的理想選擇。舉例來(lái)說(shuō)，ADI公司Power by Linear產(chǎn)品線中的LTC4041 使用片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器，提供高效率的降壓超級(jí)電容充電，以及高電流、高效率的升壓備用電源。當(dāng)外部電源可用時(shí)，該器件用作一個(gè)或兩個(gè)超級(jí)電容單元的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統(tǒng)負(fù)載以優(yōu)先權(quán)。當(dāng)輸入電源降至可調(diào)PFI閾值以下時(shí)，LTC4041切換到升壓工作模式，可以從超級(jí)電容向系統(tǒng)負(fù)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(wú)縫切換。LTC4041的典型應(yīng)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(jì)、工業(yè)報(bào)警器、服務(wù)器和固態(tài)驅(qū)動(dòng)器。圖2顯示了一個(gè)典型LTC4041應(yīng)用原理圖。
圖 2.LTC4041 超級(jí)電容備用電源應(yīng)用原理圖。
LTC4041有一個(gè)可選的OVP功能，使用外部FET來(lái)保護(hù)IC免受高于60 V的輸入電壓的影響。內(nèi)部超級(jí)電容平衡電路使每個(gè)超級(jí)電容上的電壓保持相等，并將每個(gè)超級(jí)電容的最大電壓限制在預(yù)定值。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時(shí)系統(tǒng)負(fù)載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開(kāi)開(kāi)關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源失效指示器和系統(tǒng)電源失效指示器。
結(jié)論
如果要求系統(tǒng)必須持續(xù)可用，即便主電源失效或短暫中斷也不能停機(jī)，那么提供備用電源永遠(yuǎn)是明智選擇。幸運(yùn)的是，有很多IC選擇可供設(shè)計(jì)人員考慮以滿足特定需求，包括LTC4040/LTC4041備用管理器。當(dāng)主電源中斷或喪失時(shí)，此類IC很容易讓備用電源發(fā)揮作用，無(wú)論其儲(chǔ)存介質(zhì)是超級(jí)電容、電解電容器還是電池。LTC4040和/或LTC4041具有為終端系統(tǒng)提供備用電源的功能，無(wú)論是瞬時(shí)突發(fā)供電還是長(zhǎng)時(shí)間供電。因此，請(qǐng)確保您的系統(tǒng)在需要時(shí)有合適的備用電源可用。明白了吧？
