背景信息

無論外部工作條件如何，電子系統(tǒng)都必須持續(xù)保持運行。換一種說法就是，在系統(tǒng)設計過程中，系統(tǒng)電源中的任何干擾都必須考慮到，無論干擾是瞬時的還是持續(xù)幾秒甚至幾分鐘。應對這類環(huán)境的最常見方法是使用不間斷電源 (UPS)，以防止出現(xiàn)這類干擾導致的短暫宕機，從而確保系統(tǒng)以高可靠性連續(xù)運行。類似地，人們今天使用很多應急和備用系統(tǒng)為建筑系統(tǒng)提供備份電源，以確保無論由于什么原因導致停電時，安全系統(tǒng)和關鍵設備都能夠保持不間斷運行。

在我們日常生活中使用并且無處不在的手持式電子設備中，可以輕而易舉地發(fā)現(xiàn)另一種顯而易見的例子。因為可靠性是至為重要的，所以手持式設備都經過仔細設計，采用輕型電源，以在正常情況下可靠地使用。不過，無論多么仔細地設計，都不可能防止這類設備在人們使用時出現(xiàn)意外。例如，工廠中的工人失手掉落了條碼掃描器，結果會怎么樣? 電池會掉出來嗎? 這類事件從電子設計上是不可預測的，如果沒有某種形式的安全保障，存儲在易失性存儲器中的重要數(shù)據就會丟失，所謂安全保障，就是一種短期電源保持系統(tǒng)，該系統(tǒng)存儲充足的能量，以在更換電池或數(shù)據存儲進永久性存儲器之前提供備用電源。這些例子清楚地表明，需要提供可替換電源，以防主電源中斷影響系統(tǒng)持續(xù)運行。

在汽車電子系統(tǒng)中，有很多應用需要連續(xù)供電，甚至在汽車停車后也不例外，例如遙控無鑰匙進入、安防甚至個人信息娛樂系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通常包含導航、GPS 定位和 eCall 功能。也許很難理解為什么這類系統(tǒng)必須保持接通，甚至在汽車未處于行駛狀態(tài)時也是如此，不過出于應急和安防目的，這類系統(tǒng)中的 GPS 功能必須“始終保持接通”。這種要求很有必要，以便在需要時可以通過外部操作使用基本的控制功能。

下面以 eCall 系統(tǒng)作為例子來解釋一下。eCall 系統(tǒng)是一種安全功能，目前在較新型的汽車中變得越來越普及，很多制造商已經在各個系列的車型中推出了該功能。這是一種相當簡單的技術：在發(fā)生碰撞后汽車的氣囊展開時，eCall 系統(tǒng)自動聯(lián)系應急服務機構。該系統(tǒng)用 GPS 功能向有關當局發(fā)送時間、車輛所處地點、車輛的類型、車輛使用什么燃料等信息，同時當系統(tǒng)激活后，駕駛員可以使用車中的麥克風直接與呼叫處理人員通話。

eCall 系統(tǒng)還提供事故發(fā)生時車輛行駛方向的信息，從而在車輛發(fā)生碰撞時，有關當局能夠得知需要從高速公路的哪一側向事發(fā)地行駛。所有這一切使救護車、警察和消防人員能夠獲得盡可能多的信息，并能夠在事故發(fā)生后盡快趕過來。個人也可以通過一個按鈕來激活 eCall 系統(tǒng)，因此如果駕駛員生病了 (或者在車輛碰撞中受傷了，而氣囊并未展開)，仍然可以非常方便地請求幫助。

存儲介質

承認任何給定系統(tǒng)都需要備份電源后，問題就來了：可以使用什么樣的存儲介質來提供這種備份電源? 傳統(tǒng)的選擇是電容器和電池。

我認為，公平地說，幾十年來電容器技術一直在電力輸送應用中發(fā)揮著重要作用。例如，傳統(tǒng)的薄膜和油浸電容器設計提供各種功能，諸如功率因數(shù)校正和電壓平衡等。不過，在過去 10 年中，人們進行了大量研發(fā)，已經在電容器設計和功能方面取得了巨大進步。這些新型電容器稱為超級電容器，非常適合用在電池能量存儲和備份電源系統(tǒng)中。就存儲的總能量而言，超級電容器也許是受限的，但是這類電容器是“能量密集”型的。此外，超級電容器能夠快速大量地釋放能量，并快速再充電。

超級電容器還具備緊湊、堅固和可靠的特點，可針對前述已經提到的短暫電源缺失事件滿足備份系統(tǒng)的要求。超級電容器可以方便地并聯(lián)，或串聯(lián)疊置甚至串并聯(lián)組合，以滿足最終應用必需的電壓和電流需求。不過，超級電容器不僅是一種具很大電容的電容器。與標準陶瓷、鉭或電解質電容器相比，超級電容器以類似的外形尺寸和重量提供更大的能量密度和電容。而且，盡管超級電容器需要在某種程度上“細心對待和饋電”，但是它們在需要大電流 / 短持續(xù)時間備份電源的數(shù)據存儲應用中，增強甚至取代了電池。

此外，超級電容器也用在各種需要諸如 UPS 等大電流突發(fā)或瞬時電池備份的高峰值功率和便攜式應用中。與電池相比，超級電容器外形尺寸更小，可提供峰值功率更高的突發(fā)，在更寬的工作溫度范圍內提供更長的充電周期壽命。通過降低電容器的 Top-off 電壓并避免高溫 (>50°C)，可以最大限度延長超級電容器的壽命。

另一方面，電池可以存儲大量能量，但是功率密度和功率提供能力受限。由于在電池內部發(fā)生化學反應，所以電池循環(huán)壽命有限。因此在長時間內提供適量功率時，電池是最有效的，因為從電池吸取很多安培的電流會非�？焖偾覈乐氐叵拗破淇捎霉ぷ鲏勖�。表 1 總結了超級電容器、電容器和電池之間相比較的優(yōu)缺點。

表 1：超級電容器與電容器和電池的比較

新的備份電源解決方案

既然我們已經樹立了這樣的觀念：超級電容器、電池和 / 或二者的組合可在幾乎任何電子系統(tǒng)中用作備份電源，那么哪些是可用的 IC 解決方案呢? 答案是，凌力爾特擁有廣泛的、專為滿足這類應用需求而設計的 IC。

LTC4040 是一款完整的鋰離子電池備份電源管理系統(tǒng)，面向必須在主電源故障時保持有效的 3.5V 至 5V 電源軌。電池比超級電容器提供的能量多得多，從而非常適合需要備份電源以延長工作時間的應用。LTC4040 用一個內置雙向同步轉換器提供高效率電池充電以及大電流、高效率備份電源。當外部電源可用時，該器件作為降壓型電池充電器運行，面向單節(jié)鋰離子或 LiFePO₄ 電池，同時優(yōu)先為系統(tǒng)負載供電。當輸入電源降至低于可調電源故障輸入 (PFI) 門限時，LTC4040 作為升壓型穩(wěn)壓器運行，能夠從備份電池向系統(tǒng)輸出提供高達 2.5A 電流。在電源發(fā)生故障時，該器件的 PowerPath™ 控制提供反向隔離，并在輸入電源與備份電源之間實現(xiàn)無縫切換。LTC4040 的典型應用包括車隊和資產跟蹤、汽車 GPS 數(shù)據記錄儀、汽車遠程信息處理系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)備份電源以及 USB 供電設備。請見圖 1 所示典型應用原理圖。

圖 1：具 4.22V PFI 門限的 4.5V 備份電源

LTC4040 還提供可選過壓保護 (OVP) 功能，通過一個外部 FET 針對高于 60V 的輸入電壓保護該 IC。其可調輸入電流限制功能允許用電流受限的電源工作，同時優(yōu)先于電池充電電流提供系統(tǒng)負載電流。一個外部斷接開關在備份電源工作時隔離主輸入電源和系統(tǒng)。LTC4040 的 2.5A 電池充電器提供 8 個為鋰離子和 LiFePO₄ 電池而優(yōu)化的可選充電電壓。該器件還提供輸入電流監(jiān)視功能、一個輸入電源缺失指示器和一個系統(tǒng)電源缺失指示器。

結論

無論何時，只要一個設計要求，即使主電源發(fā)生故障，系統(tǒng)也要始終可用，那么使用備份電源就總是一個好主意。幸運的是，有很多 IC 選擇，就像 LTC4040 一樣，無論存儲介質是超級電容器、電解質電容器還是電池，都可以簡便地用來實現(xiàn)備份電源。顯然，在汽車環(huán)境中的 eCall 系統(tǒng)情況下，如果發(fā)生事故、主電源斷接，那么啟用備份電源可以挽救生命。因此，一定要確保為你的 eCall 用戶提供一個良好的備份電源計劃。