資料介紹
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(yùn)行。換一種說法就是,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)的還是持續(xù)幾秒甚至幾分鐘。應(yīng)對(duì)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(dǎo)致的短暫宕機(jī),從而確保系統(tǒng)以高可靠性連續(xù)運(yùn)行。類似地,人們今天使用很多應(yīng)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?qū)е峦k姇r(shí),安全系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備都能夠保持不間斷運(yùn)行。
在我們?nèi)粘I钪惺褂貌⑶覠o處不在的手持式電子設(shè)備中,可以輕而易舉地發(fā)現(xiàn)另一種顯而易見的例子。因?yàn)榭煽啃允侵翞橹匾?,所以手持式設(shè)備都經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì),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(xì)地設(shè)計(jì),都不可能防止這類設(shè)備在人們使用時(shí)出現(xiàn)意外。例如,工廠中的工人失手掉落了條碼掃描器,結(jié)果會(huì)怎么樣? 電池會(huì)掉出來嗎? 這類事件從電子設(shè)計(jì)上是不可預(yù)測的,如果沒有某種形式的安全保障,存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)器中的重要數(shù)據(jù)就會(huì)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(chǔ)充足的能量,以在更換電池或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)永久性存儲(chǔ)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(yùn)行。
在汽車電子系統(tǒng)中,有很多應(yīng)用需要連續(xù)供電,甚至在汽車停車后也不例外,例如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入、安防甚至個(gè)人信息娛樂系統(tǒng),這些系統(tǒng)通常包含導(dǎo)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(shí)也是如此,不過出于應(yīng)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(shí)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(jīng)在各個(gè)系列的車型中推出了該功能。這是一種相當(dāng)簡單的技術(shù):在發(fā)生碰撞后汽車的氣囊展開時(shí),eCall 系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)系應(yīng)急服務(wù)機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)用 GPS 功能向有關(guān)當(dāng)局發(fā)送時(shí)間、車輛所處地點(diǎn)、車輛的類型、車輛使用什么燃料等信息,同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)激活后,駕駛員可以使用車中的麥克風(fēng)直接與呼叫處理人員通話。
eCall 系統(tǒng)還提供事故發(fā)生時(shí)車輛行駛方向的信息,從而在車輛發(fā)生碰撞時(shí),有關(guān)當(dāng)局能夠得知需要從高速公路的哪一側(cè)向事發(fā)地行駛。所有這一切使救護(hù)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(gè)人也可以通過一個(gè)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(qǐng)求幫助。
存儲(chǔ)介質(zhì)
承認(rèn)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(chǔ)介質(zhì)來提供這種備份電源? 傳統(tǒng)的選擇是電容器和電池。
我認(rèn)為,公平地說,幾十年來電容器技術(shù)一直在電力輸送應(yīng)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(shè)計(jì)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(jìn)行了大量研發(fā),已經(jīng)在電容器設(shè)計(jì)和功能方面取得了巨大進(jìn)步。這些新型電容器稱為超級(jí)電容器,非常適合用在電池能量存儲(chǔ)和備份電源系統(tǒng)中。就存儲(chǔ)的總能量而言,超級(jí)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(jí)電容器能夠快速大量地釋放能量,并快速再充電。
超級(jí)電容器還具備緊湊、堅(jiān)固和可靠的特點(diǎn),可針對(duì)前述已經(jīng)提到的短暫電源缺失事件滿足備份系統(tǒng)的要求。超級(jí)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(yīng)用必需的電壓和電流需求。不過,超級(jí)電容器不僅是一種具很大電容的電容器。與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比,超級(jí)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(jí)電容器需要在某種程度上“細(xì)心對(duì)待和饋電”,但是它們?cè)谛枰箅娏?短持續(xù)時(shí)間備份電源的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中,增強(qiáng)甚至取代了電池。
此外,超級(jí)電容器也用在各種需要諸如 UPS 等大電流突發(fā)或瞬時(shí)電池備份的高峰值功率和便攜式應(yīng)用中。與電池相比,超級(jí)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(nèi)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(jí)電容器的壽命。
另一方面,電池可以存儲(chǔ)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(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng),所以電池循環(huán)壽命有限。因此在長時(shí)間內(nèi)提供適量功率時(shí),電池是最有效的,因?yàn)閺碾姵匚『芏喟才嗟碾娏鲿?huì)非??焖偾覈?yán)重地限制其可用工作壽命。表 1 總結(jié)了超級(jí)電容器、電容器和電池之間相比較的優(yōu)缺點(diǎn)。
表 1:超級(jí)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(jīng)樹立了這樣的觀念:超級(jí)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(yīng)用需求而設(shè)計(jì)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(shí)保持有效的 3.5V 至 5V 電源軌。電池比超級(jí)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(shí)間的應(yīng)用。LTC4040 用一個(gè)內(nèi)置雙向同步轉(zhuǎn)換器提供高效率電池充電以及大電流、高效率備份電源。當(dāng)外部電源可用時(shí),該器件作為降壓型電池充電器運(yùn)行,面向單節(jié)鋰離子或 LiFePO4 電池,同時(shí)優(yōu)先為系統(tǒng)負(fù)載供電。當(dāng)輸入電源降至低于可調(diào)電源故障輸入 (PFI) 門限時(shí), LTC4040 作為升壓型穩(wěn)壓器運(yùn)行,能夠從備份電池向系統(tǒng)輸出提供高達(dá) 2.5A 電流。在電源發(fā)生故障時(shí),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(shí)現(xiàn)無縫切換。 LTC4040 的典型應(yīng)用包括車隊(duì)和資產(chǎn)跟蹤、汽車 GPS 數(shù)據(jù)記錄儀、汽車遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)、收費(fèi)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(shè)備。請(qǐng)見圖 1 所示典型應(yīng)用原理圖。
門限的 4.5V 備份電源
LTC4040 還提供可選過壓保護(hù) (OVP) 功能,通過一個(gè)外部 FET 針對(duì)高于 60V 的輸入電壓保護(hù)該 IC。其可調(diào)輸入電流限制功能允許用電流受限的電源工作,同時(shí)優(yōu)先于電池充電電流提供系統(tǒng)負(fù)載電流。一個(gè)外部斷接開關(guān)在備份電源工作時(shí)隔離主輸入電源和系統(tǒng)。LTC4040 的 2.5A 電池充電器提供 8 個(gè)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(gè)輸入電源缺失指示器和一個(gè)系統(tǒng)電源缺失指示器。
結(jié)論
有些設(shè)計(jì)會(huì)要求系統(tǒng)無論何時(shí) (即使主電源發(fā)生故障) 也要始終可用,那么使用備份電源就總是一個(gè)好主意。幸運(yùn)的是,我們有很多 IC 選擇,就像 LTC4040 一樣,無論存儲(chǔ)介質(zhì)是超級(jí)電容器、電解質(zhì)電容器還是電池,都可以簡便地用來實(shí)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(gè)良好的備份電源計(jì)劃。
本文轉(zhuǎn)載自
(mbbeetchina)
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