用于數(shù)據(jù)備份和保存的電源3種解決方案

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400VPFC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。

圖片1-1.png

圖片1-2.png

圖片1-3.png

式中的C是電容;VMAX和VMIN分別是最大和最小電容器電壓;VOUT和IOUT是負(fù)載電壓和電流;TH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LTC31102A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。

圖片1.jpg

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

在圖1中，通過一般處于接通狀態(tài)的MOSFETQ1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)VIN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)VIN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RDT、RDB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，RFT、RFB設(shè)置負(fù)載電壓，而RBT、RBB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。

圖片2.jpg

圖2：LTC3643高電壓備份解決方案;VIN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RPR實(shí)現(xiàn)的;而在較高電壓LTC3643解決方案中，則是利用電流檢測電阻器RS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)間來換取最低的組件成本。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。

圖片3.jpg

圖3：LTC3649“較廉價(jià)的”備份解決方案，VIN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。