用于數(shù)據(jù)備份和保存之電源保持的快速入門指南

引言

對(duì)于新式數(shù)字系統(tǒng)來說，在電源中斷期間備份重要的數(shù)據(jù)是一項(xiàng)重要特性。在嵌入式系統(tǒng)依賴干凈不間斷電源的電信、工業(yè)和汽車應(yīng)用中，數(shù)據(jù)丟失是引人關(guān)切的。供電的突然中斷會(huì)導(dǎo)致正在對(duì)硬盤驅(qū)動(dòng)器和閃存器進(jìn)行讀寫操作時(shí)的數(shù)據(jù)受損。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器廣泛地采用在嵌入式系統(tǒng)中，以用于汽車維護(hù)、故障排除和維修工作。在復(fù)雜的工業(yè)金屬加工設(shè)備中，在電源斷接后必需存儲(chǔ)多種工具的位置和狀態(tài)，以防止在恢復(fù)供電時(shí)發(fā)生設(shè)備故障，這一點(diǎn)是極其重要。

傳統(tǒng)上，備份電源設(shè)計(jì)師依賴于高電壓電源的存在，以及升壓型功率因數(shù)校正 (PFC) 電路的大容量電容。當(dāng)采用這種傳統(tǒng)方法時(shí)，在供電中斷期間，350V 至 400V PFC 輸出電壓與極大容量電容之組合中的可用能量足以供下游轉(zhuǎn)換器在要求的保持時(shí)間里支持關(guān)鍵的負(fù)載。保持時(shí)間簡(jiǎn)單地說就是系統(tǒng)安全地完成備份操作所需的時(shí)間。

問題是：許多新式電子系統(tǒng) (例如：汽車) 并不需要 AC/DC 轉(zhuǎn)換器。另外，PFC 的本質(zhì)已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化：在低功率和分布式系統(tǒng)中，小占板面積隔離型反激式轉(zhuǎn)換器正逐步取代“先升壓后降壓”轉(zhuǎn)換器對(duì)。在這些環(huán)境中，低電壓電源經(jīng)常是備份設(shè)備唯一的可用電源。

所有無電池型備份解決方案均基于電容器存儲(chǔ)能量 (W) 的能力。

式中的 C 是電容;V_MAX 和 V_MIN 分別是最大和最小電容器電壓;V_OUT 和 I_OUT是負(fù)載電壓和電流;T_H 是保持時(shí)間，即電源在供電中斷之后能夠把輸出電壓保持在調(diào)節(jié)狀態(tài)的時(shí)間。

三種簡(jiǎn)易型電源保持解決方案

為了在低電壓系統(tǒng)中滿足保持時(shí)間要求，設(shè)計(jì)師可以增加電容 (常常通過使用超級(jí)電容器來實(shí)現(xiàn))，或利用升壓轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生一個(gè)較高的電壓。這兩種解決方案都能采用專為支持它們而設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換 IC 非常容易地實(shí)現(xiàn)，但是兩者除了標(biāo)準(zhǔn)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路之外還需要其他組件。本文將介紹上述解決方案兩款有代表性的電路，以及一種用于相對(duì)較短保持時(shí)間的 “較廉價(jià)” 解決方案 (該解決方案不需要使用額外的控制器或電容器)。

基于超級(jí)電容器的電源保持解決方案

我們先來看一款易于實(shí)現(xiàn)的超級(jí)電容器解決方案，其基于 LTC3110 2A 雙向降壓-升壓型 DC/DC 穩(wěn)壓器和充電器 / 平衡器 (詳見 [1])。該解決方案的電原理圖示于圖 1。

圖 1：基于超級(jí)電容器的 LTC3110 備份解決方案 (V_IN 高達(dá) 5.25V)

在圖 1 中，通過一般處于接通狀態(tài)的 MOSFET Q1 的輸入電壓負(fù)責(zé)為負(fù)載和降壓-升壓型 LTC3110 轉(zhuǎn)換器供電。當(dāng) V_IN 接入時(shí)，LTC3110 對(duì)超級(jí)電容器實(shí)施充電和電荷平衡。在該電路中，三端子超級(jí)電容器是兩個(gè)堆疊式電容器的組合。在充電過程中，LTC3110 安全地平衡超級(jí)電容器，使堆疊每一半上的電壓達(dá)到均衡以避免出現(xiàn)過壓情況。

當(dāng) V_IN 中斷時(shí)，Q1 關(guān)斷，從而把負(fù)載與原始電壓電源隔離開來，LTC3110 把超級(jí)電容器的儲(chǔ)存電能釋放至負(fù)載。在此情況下，LTC3110 保持一個(gè)穩(wěn)定的 3.3V 軌電壓，即使當(dāng)超級(jí)電容器電壓從其 5V 全值降至遠(yuǎn)低于 3.3V 時(shí)也不例外 (詳見 [1])。電阻器 R_DT、R_DB 負(fù)責(zé)控制流到存儲(chǔ)電容器或從存儲(chǔ)電容器流出之能量的方向，R_FT、R_FB 設(shè)置負(fù)載電壓，而 R_BT、R_BB 則設(shè)定存儲(chǔ)電容器上的最大電壓。盡管使用了超級(jí)電容器，但這款解決方案能夠支持 1mm 高的扁平應(yīng)用，見圖 1。

升壓電壓保持解決方案

圖 2 示出了一個(gè)解決方案實(shí)例，其采用了便宜得多 (相比超級(jí)電容器) 的電解或混合存儲(chǔ)電容器，但是在它們的兩端具有高得多的電壓。這款備份解決方案以 LTC3643 為中心 (詳見 [2]) 。當(dāng)輸入存在時(shí)，該穩(wěn)壓器把輸入電壓提升至 40V (最大值)。當(dāng)輸入中斷時(shí)，LTC3643 作為一個(gè)降壓型穩(wěn)壓器工作，把存儲(chǔ)電容器的電能釋放給負(fù)載，但是保持編程電壓電平。上面的超級(jí)電容器解決方案中描述的電阻分壓器在這里具有相同的功能。

圖 2：LTC3643 高電壓備份解決方案;V_IN 高達(dá) 17V

上面的超級(jí)電容器解決方案和這種較高電壓解決方案均能減小電容器充電電流，旨在把輸入電流保持在低于或處于某個(gè)預(yù)編程值，并設(shè)定負(fù)載需求的優(yōu)先級(jí)高于存儲(chǔ)電容器充電時(shí)間。在輸入阻抗相對(duì)較高的系統(tǒng) (例如：電池供電型系統(tǒng)) 或者由低功率 AC/DC 或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電的系統(tǒng)中，這一點(diǎn)是尤其重要。在 LTC3110 超級(jí)電容器解決方案中，該功能是通過電阻器 R_PR 實(shí)現(xiàn)的;而在較高電壓 LTC3643 解決方案中，則是利用電流檢測(cè)電阻器 R_S 實(shí)現(xiàn)的。

采用最少組件數(shù)目，“較廉價(jià)的”電源保持解決方案

對(duì)于那些要求相對(duì)較短保持時(shí)間且對(duì)成本敏感的項(xiàng)目，圖 3 中的解決方案通過縮短保持時(shí)間來?yè)Q取最低的組件成本。該方案以一般情況下充當(dāng)降壓型轉(zhuǎn)換器的 LTC3649 為中心。但是在這里，LTC3649 在輸入電壓斷接時(shí)轉(zhuǎn)而執(zhí)行升壓轉(zhuǎn)換操作。LTC3649 通過對(duì)其自己的輸出電容器進(jìn)行放電以在關(guān)鍵負(fù)載的端子上保持編程電壓。

圖 3：LTC3649“較廉價(jià)的”備份解決方案，V_IN 高達(dá) 60V

結(jié)論

本文提出的解決方案專注于 DC/DC 電源保持系統(tǒng)，覆蓋了很寬的輸入電壓范圍：1.8V 至 5.5V (采用 LTC3110)、3V 至 17V (采用 LTC3643) 和 3.1V 至 60V (采用 LTC3649)。所有三種解決方案皆可成功地使用在面對(duì)輸入供電中斷時(shí)要求完成數(shù)據(jù)備份的汽車和工業(yè)應(yīng)用中。

參考文獻(xiàn)

1. http://www.linear.com/product/LTC3110，LTC3110 產(chǎn)品手冊(cè)和演示電路。

2. http://www.linear.com/product/LTC3643，LTC3643產(chǎn)品手冊(cè)和演示電路。

3. http://www.linear.com/product/LTC3649，LTC3649產(chǎn)品手冊(cè)和演示電路。