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ADI 亚德诺半导体

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备用电源大作战,超级电容 or 电池?

2018-12-15
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在当今持续运转的世界里,无论外部环境或运行条件如何,许多电子系统持续运行是常见现象。换句话说,系统电源的任何故障,无论是瞬时、以秒计还是以分钟计的故障,都必须在设计过程中加以考虑。处理此类情况的最常见的方式是使用不间断电源(UPS)来弥补这些短暂的停机时间,从而确保系统以高可 靠性连续运行。


储存介质


众多系统需要备用电源,而问题是:此类备用电源的储存介质有哪些选择?传统选择是电容和电池。


可以说,电容技术在电力传输和配送应用中发挥重要作用已有数十年之久。例如,传统的薄膜和油基电容的设计能实现很多种功能,包括功率因数校正和电压平衡等。但是,过去十年中进行了大量的研究和开发,使得电容设计和容量有了显著进步。这些先进的电容被称为超级电容,非常适合用于电池储能和备用电源系统。超级电容的总储能量有限,但其能量密度非常高。此外,超级电容具有快速释放高能量并快速充电的能力。


超级电容不仅结构紧凑,而且稳健可靠,可满足备用电源系统的要求,应对短期电源丧失事件。另外,超级电容很容易并联或串联堆叠,甚至采取串并联组合,为最终应用提供必要的电压和电流。然而,超级电容不仅仅是具有非常大容值的电容器。与标准陶瓷电容、钽电容或电解电容相比,同样尺寸和重量的超级电容具有更高的能量密度和更大的电容。虽然超级电容需要特殊维护,但在需要高电流/短时备用电源的数据存储应用中,其超越甚至可以替换电池。


此外,超级电容还可用于各种需要高突发电流或短暂备用电池的高峰值功率和便携式应用中,例如UPS系统。与电池相比,超级电容以更小的尺寸提供更高的突发峰值功率,并且充电循环次数更多,工作温度范围更宽。通过降低超级电容的上截止电压并避免高温(> 50°C),可以最大限度地延长超级电容的使用寿命。


另一方面,电池可以储存大量能量,但在功率密度和输送方面有局限性。电池内部会发生化学反应,故其充电循环次数很有限。因此,如果要在较长时间里输送适量功率,那么电池最有效,而让电池非常迅速地输出大电流,则会严重缩短其有效使用寿命。表1总结了超级电容、普通电容和电池的优缺点。


表1. 超级电容与普通电容和电池的特性比较



新型备用管理器电源解决方案


现在我们已经明确,超级电容、电池和/或二者的组合可以用作几乎所有电子系统的备用电源,那么有哪些解决方案可用呢?


首先,任何 IC 解决方案都会需要一个完整的锂离子电池备用电源管理系统,其必须能够在主电源发生故障时让 3.5 V 至 5 V 电源轨保持供电。电池提供的能量比超级电容要多很多,因此需要备用电源长时间供电的应用使用电池更合适。相应地,任何 IC 解决方案都会需要片内双向同步转换器,以便对备用电池高效率充电;如果主电源轨发生中断,它还能向下游负载提供高电流备用电源。因此,当外部电源可用时,该器件将用作单节锂离子或 LiFePO电池的降压电池充电器,同时赋予系统负载以优先权。然而,如果输入电源突然降至可调电源失效输入 (PFI) 阈值以下,该 IC 将需要充当升压调节器,以从备用电池向系统输出提供几安培的电流。因此,如果发生电源故障,该 IC 将需要执行电源路径控制,以提供反向阻断并在输 入电源和备用电源之间无缝切换。这种 IC 的典型应用包括车队和资产跟踪、汽车 GPS 数据记录器、汽车远程信息处理系统、收费系统、安全系统、通信系统、工业备用电源及 USB 供电设备。图1显示了采用 ADI公司 Power by Linear™  LTC4040 锂离子电池备用管理器的典型应用原理图。


图1. 采用LTC4040且使用用户设置PFI阈值的备用电源


LTC4040 还有可选的过压保护 (OVP) 功能,通过外部FET保护 IC 免受高于60V 的输入电压的影响。其可调输入限流功能支持采用限流电源供电,同时系统负载电流优先于电池充电电流。外部断开开关在备用电源供电期间将主输入电源与系统隔离开来。LTC4040 的 2.5 A 电池充电器提供 8 种针对锂离子电池和 LiFePO电池优化的可选充电电压。该器件还具有输入电流监控功能、输入电源丧失指示器和系统电源丧失指示器。


与电池类似的是超级电容。然而,超级电容不支持主电源长时间丧失的场合,但它是需要高功率、短时间备用电源的系统的出色选择。因此,任何支持此类应用的 IC 通常都需要能够在主电源中断期间支持2.9 V至5.5 V电源轨。众所周知,超级电容的功率密度高于电池,这使其成为短时间内需要高峰值功率备用电源的系统的理想选择。


举例来说,ADI 公司 Power by Linear 产品线中的 LTC4041 使用片内双向同步转换器,提供高效率的降压超级电容充电,以及高电流、高效率的升压备用电源。当外部电源可用时,该器件用作一个或两个超级电容单元的降压电池充电器,同时赋予系统负载以优先权。当输入电源降至可调PFI阈值以下时,LTC4041切换到升压工作模式,可以从超级电容向系统负载提供最高2.5 A的电流。在电源故障期间,该器件的 PowerPath™ 控制功能提供反向阻断以及从输入电源到备用电源的无缝切换。LTC4041的典型应用包括穿越“致命故障”(dying gasp) 电源、高电流穿越 3 V 至 5 V UPS、功率计、工业报警器、服务器和固态驱动器。图2显示了一个典型 LTC4041 应用原理图。


图2. LTC4041超级电容备用电源应用原理图


LTC4041 有一个可选的OVP功能,使用外部 FET 来保护 IC 免受高于 60 V的输入电压的影响。内部超级电容平衡电路使每个超级电容上的电压保持相等,并将每个超级电容的最大电压限制在预定值。其可调输入限流功能支持采用限流电源供电,同时系统负载电流优先于电池充电电流。外部断开开关在备用电源供电期间将主输入电源与系统隔离开来。该器件还具有输入电流监控功能、输入电源失效指示器和系统电源失效指示器。



如果要求系统必须持续可用,即便主电源失效或短暂中断也不能停机,那么提供备用电源永远是明智选择。幸运的是,有很多 IC 选择可供设计人员考虑以满足特定需求,包括 LTC4040/LTC4041 备用管理器。当主电源中断或丧失时,此类 IC 很容易让备用电源发挥作用,无论其储存介质是超级电容、电解电容器还是电池。LTC4040 和/或 LTC4041 具有为终端系统提供备用电源的功能,无论是瞬时突发供电还是长时间供电。因此,请确保您的系统在需要时有合适的备用电源可用。明白了吧?

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