眾多系統需要備用電源，而問(wèn)題是：此類(lèi)備用電源的儲存介質(zhì)有哪些選擇？傳統選擇是電容和電池。

可以說(shuō)，電容技術(shù)在電力傳輸和配送應用中發(fā)揮重要作用已有數十年之久。例如，傳統的薄膜和油基電容的設計能實(shí)現很多種功能，包括功率因數校正和電壓平衡等。但是，過(guò)去十年中進(jìn)行了大量的研究和開(kāi)發(fā)，使得電容設計和容量有了顯著(zhù)進(jìn)步。這些先進(jìn)的電容被稱(chēng)為超級電容，非常適合用于電池儲能和備用電源系統。超級電容的總儲能量有限，但其能量密度非常高。此外，超級電容具有快速釋放高能量并快速充電的能力。

超級電容不僅結構緊湊，而且穩健可靠，可滿(mǎn)足備用電源系統的要求，應對短期電源喪失事件。另外，超級電容很容易并聯(lián)或串聯(lián)堆疊，甚至采取串并聯(lián)組合，為最終應用提供必要的電壓和電流。然而，超級電容不僅僅是具有非常大容值的電容器。與標準陶瓷電容、鉭電容或電解電容相比，同樣尺寸和重量的超級電容具有更高的能量密度和更大的電容。雖然超級電容需要特殊維護，但在需要高電流/短時(shí)備用電源的數據存儲應用中，其超越甚至可以替換電池。

此外，超級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用中，例如UPS系統。與電池相比，超級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)次數更多，工作溫度范圍更寬。通過(guò)降低超級電容的上截止電壓并避免高溫(> 50°C)，可以最大限度地延長(cháng)超級電容的使用壽命。

另一方面，電池可以?xún)Υ娲罅磕芰�，但在功率密度和輸送方面有局限性。電池內部�?huì )發(fā)生化學(xué)反應，故其充電循環(huán)次數很有限。因此，如果要在較長(cháng)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 )嚴重縮短其有效使用壽命。表1總結了超級電容、普通電容和電池的優(yōu)缺點(diǎn)。

新型備用管理器電源解決方案

現在我們已經(jīng)明確，超級電容、電池和/或二者的組合可以用作幾乎所有電子系統的備用電源，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，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電容要多很多，因此需要備用電源長(cháng)時(shí)間供電的應用使用電池更合適。相應地，任何 IC 解決方案都會(huì )需要片內雙向同步轉換器，以便對備用電池高效率充電；如果主電源軌發(fā)生中斷，它還能向下游負載提供高電流備用電源。因此，當外部電源可用時(shí)，該器件將用作單節鋰離子或 LiFePO4 電池的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統負載以?xún)?yōu)先權。然而，如果輸入電源突然降至可調電源失效輸入 (PFI) 閾值以下，該 IC 將需要充當升壓調節器，以從備用電池向系統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 的典型應用包括車(chē)隊和資產(chǎn)跟蹤、汽車(chē) GPS 數據記錄器、汽車(chē)遠程信息處理系統、收費系統、安全系統、通信系統、工業(yè)備用電源及 USB 供電設備。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用原理圖。

LTC4040 還有可選的過(guò)壓保護 (OVP) 功能，通過(guò)外部FET保護 IC 免受高于60V 的輸入電壓的影響。其可調輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時(shí)系統負載電流優(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隔離開(kāi)來(lái)。LTC4040 的 2.5 A 電池充電器提供 8 種針對鋰離子電池和 LiFePO4 電池優(yōu)化的可選充電電壓。該器件還具有輸入電流監控功能、輸入電源喪失指示器和系統電源喪失指示器。

與電池類(lèi)似的是超級電容。然而，超級電容不支持主電源長(cháng)時(shí)間喪失的場(chǎng)合，但它是需要高功率、短時(shí)間備用電源的系統的出色選擇。因此，任何支持此類(lèi)應用的 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，超級電容的功率密度高于電池，這使其成為短時(shí)間內需要高峰值功率備用電源的系統的理想選擇。

舉例來(lái)說(shuō)，ADI 公司 Power by Linear 產(chǎn)品線(xiàn)中的 LTC4041 使用片內雙向同步轉換器，提供高效率的降壓超級電容充電，以及高電流、高效率的升壓備用電源。當外部電源可用時(shí)，該器件用作一個(gè)或兩個(gè)超級電容單元的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統負載以?xún)?yōu)先權。當輸入電源降至可調PFI閾值以下時(shí)，LTC4041切換到升壓工作模式，可以從超級電容向系統負載提供最高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、工業(yè)報警器、服務(wù)器和固態(tài)驅動(dòng)器。圖2顯示了一個(gè)典型 LTC4041 應用原理圖。

LTC4041 有一個(gè)可選的OVP功能，使用外部 FET 來(lái)保護 IC 免受高于 60 V的輸入電壓的影響。內部超級電容平衡電路使每個(gè)超級電容上的電壓保持相等，并將每個(gè)超級電容的最大電壓限制在預定值。其可調輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時(shí)系統負載電流優(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隔離開(kāi)來(lái)。該器件還具有輸入電流監控功能、輸入電源失效指示器和系統電源失效指示器。

結論

如果要求系統必須持續可用，即便主電源失效或短暫中斷也不能停機，那么提供備用電源永遠是明智選擇。幸運的是，有很多 IC 選擇可供設計人員考慮以滿(mǎn)足特定需求，包括 LTC4040/LTC4041 備用管理器。當主電源中斷或喪失時(shí)，此類(lèi) IC 很容易讓備用電源發(fā)揮作用，無(wú)論其儲存介質(zhì)是超級電容、電解電容器還是電池。LTC4040 和/或 LTC4041 具有為終端系統提供備用電源的功能，無(wú)論是瞬時(shí)突發(fā)供電還是長(cháng)時(shí)間供電。因此，請確保您的系統在需要時(shí)有合適的備用電源可用。明白了吧？