引言 

就其本質(zhì)而言，獨立冗余磁盤(pán)陣列(RAID)系統是專(zhuān)為在面對惡劣環(huán)境時(shí)保存數據而設計。電源故障就是一個(gè)例子，它會(huì )威脅到臨時(shí)存儲在易失性存儲器之中的數據。為了保護這些數據，許多系統采用了基于電池的后備電源，這種后備電源可提供足以供RAID控制器將易失性數據寫(xiě)入非易失性存儲器的短時(shí)功率。然而，閃存性能的進(jìn)步(例如：DRAM密度、較低的功耗和較快的寫(xiě)入時(shí)間)、再加上超級電容器的技術(shù)改良 (比如：較低的ESR和每單位體積較高的電容)，使得能夠采用壽命更長(cháng)、性能更高和“環(huán)保性更佳”的超級電容器來(lái)替代這些系統中的電池。圖1示出了一款基于超級電容器的后備電源系統，該系統采用了LTC3625超級電容充電器、一個(gè)使用LTC4412 PowerPath控制器的自動(dòng)電源通道切換和一個(gè)LTM4616雙路輸出μModule DC/DC轉換器。LTC3625是一款高效率超級電容充電器，非常適合于RAID應用中的小型后備電源系統。該器件采用3mm x 4mm x 0.75mm 12引腳DFN封裝，且所需的外部組件極少。它具有一個(gè)高達1A的可編程平均充電電流、兩個(gè)串接超級電容器的自動(dòng)電量電壓平衡功能和一種從超級電容器吸收少於1μA電流的低電流狀態(tài)。  

圖 1：用于數據備份的超級電容器能量存儲系統

后備電源應用 

有效的后備電源系統包括一個(gè)超級電容器組，該超級電容器組具有支持一次完整的數據傳輸所需的蓄電容量。一個(gè)DC/DC轉換器負責獲取超級電容器組的輸出，并向數據恢復電子線(xiàn)路提供一個(gè)恒定電壓。數據傳輸必須在超級電容器組兩端的電壓下降至DC/DC轉換器的最小輸入工作電壓(V_UV)之前完成。  

為了估算超級電容器組的最小電容，必需確定有效電路電阻 (R_T)。R_T是超級電容器的ESR、分配損失 (R_DIST)與自動(dòng)通道切換的MOSFET的 R_DS(ON)之和： 

R_T=ESR + R_DIST+R_DS(ON)  

在V_UV條件下，當允許10%的輸入功率損失于R_T之中時(shí)，可以確定R_T(MAX)： 

在V_UV條件下，超級電容器組兩端上所需的電壓(V_C(UV)) 為：  

現在，可以根據將數據傳輸至閃存所需的備份時(shí)間(t_BU) 、超級電容器組的初始電壓 V_C(O) 和 V_C(UV)來(lái)計算最小電容 (C_MIN) 要求： 

C_MIN為一個(gè)超級電容器電容的1/2。在計算R_T的表達式中所使用的ESR是壽命末期ESR的兩倍。壽命末期被定義為當電容降至其初始值的70%或ESR倍增之時(shí)。 

LTC3625 產(chǎn)品手冊中的“匹配超級電容器的充電曲線(xiàn)”圖描繪了采用LTC3625將一個(gè)含有兩個(gè)10F超級電容器的超級電容器組充電至5.3V (R_PROG被設定為143k) 的

兩種配置之充電曲線(xiàn)。將這幅曲線(xiàn)圖與下面的公式相結合，用于確定所需的R_PROG值，以產(chǎn)生適合目標應用中所使用的實(shí)際超級電容器的期望充電時(shí)間： 

V_C(UV)是使DC/DC轉換器能夠產(chǎn)生所需輸出的超級電容器最小電壓。V_OUT是目標應用中LTC3625的輸出電壓 (由VSEL引腳設定)。t_ESTIMATE是從V_C(UV)充電至5.3V所需的時(shí)間 (可從充電曲線(xiàn)來(lái)推知)。t_ESTIMATE是目標應用中期望的再充電時(shí)間。

設計實(shí)例 

例如：假設在DC/DC轉換器的輸入功率為20W的情況下將數據存儲至閃存需要45秒，而DC/DC轉換器的V_UV為2.7V。所需的t_ESTIMATE為10分鐘。超級電容器

組的滿(mǎn)充電電壓被設定為4.8V —— 這在延長(cháng)超級電容器的壽命與盡可能利用其蓄電容量之間實(shí)現了良好的折衷。對R_T的組成部分進(jìn)行了估算：R_DIST = 10mΩ、ESR= 20mΩ和R_DS(ON)= 10mΩ。  

對于該設計階段而言，最終得到的估算值 R_T(MAX) =36mΩ與R_T=40mΩ足夠接近。V_C(UV)的估算值為3V。C_MIN為128F。兩個(gè)360F 電容器提供了一個(gè)126F的壽命末期電容和6.4mΩ的ESR。通道切換由LTC4412和兩個(gè)P溝道MOSFET組成。柵極電壓為2.5V，R_DS(ON)為 10.75mΩ (最大值)。26.15mΩ的 R_T完全在R_T(MAX)的范圍之內。R_PROG的估算值為79.3k。與之最接近的1% 精度標準電阻器為78.7k。產(chǎn)品手冊建議的降壓和升壓電感器的數值均為3.3μH。 

LTC3625包含一個(gè)電源故障比較器，該比較器用于監視啟用LTC4412的輸入電源。一個(gè)連接至PFI引腳的分壓器負責將電源故障觸發(fā)點(diǎn)(V_PF)設定為 4.75V。  

圖2示出了一個(gè)具有20W負載的系統之實(shí)際備份時(shí)間。期望的備份時(shí)間為45秒，而該系統提供的備份時(shí)間為76.6 秒。造成這種差異的原因是R_T低于估算值以及實(shí)際的VUV為2.44V。如圖3所示，實(shí)際的再充電時(shí)間為685秒，而計算中所采用的再充電時(shí)間為600秒，該差異源于實(shí)際的V_UV較低。 

圖 2：支持一個(gè)20W負載的超級電容器備份時(shí)間

圖 3：備份之后的再充電時(shí)間 

結論  

超級電容器正在逐步取代電池，以滿(mǎn)足針對數據中心的綠色環(huán)保計劃強制要求。LTC3625是一款具自動(dòng)電量平衡功能的高效率1A超級電容充電器，可與LTC4412低損耗PowerPath控制器相組合，以造就一款用于在存儲應用中保護數據的后備電源系統。