作者：Tony Armstrong and Steve Knoth

在當今持續連接的世界中，許多電子系統始終運行是司空見慣的，無論其外部環境或操作條件如何。換句話說，系統電源中的任何故障，無論是瞬間、幾秒鐘還是幾分鐘，都必須在設計過程中考慮在內。處理這種情況的最常見方法是使用不間斷電源（UPS）來彌補這些短暫的停機時間，從而確保系統的高可靠性和連續運行。同樣，當今的許多應急和備用系統都用于為建筑系統提供備用電源，以確保安全系統和關鍵設備能夠在停電期間保持其運行 - 無論根本原因是什么。

在我們日常生活中無處不在的手持電子設備中可以很容易地找到明顯的例子。由于可靠性至關重要，因此手持設備采用輕質電源精心設計，可在正常條件下可靠使用。但是，再仔細的工程也無法阻止他們在人們手中遭受的虐待。例如，當工廠工人掉落手持便攜式掃描設備，導致其電池脫落時會發生什么？此類事件在電子上是不可預測的，存儲在易失性存儲器中的重要數據如果沒有某種形式的安全網（即某種短期電源保持系統）就會丟失，該系統存儲足夠的能量來提供待機電源，直到可以更換電池或數據存儲在永久存儲器中。

這個例子清楚地表明，電子系統中需要一種替代形式的電源，以防其主電源中斷。

在汽車電子系統中，有許多應用即使在汽車停放（發動機不運轉）時也需要持續供電，例如遠程無鑰匙進入、安全，甚至個人信息娛樂系統。這些系統通常包含導航、GPS 定位和 eCall 功能。很容易理解為什么即使汽車不移動，這些系統也必須保持開啟狀態，因為這些系統的GPS方面必須始終處于緊急和安全狀態。這是一個必要的要求，以便在必要時可以由外部操作員激活基本控制。

考慮一個eCall系統（以通用汽車在美國的OnStar系統為例），該系統在全球新型汽車中變得越來越普遍，許多制造商已經在其產品系列中推出了它們。事實上，這些系統在歐洲成為 3 月 31 日之后銷售的所有新車和輕型卡車的強制性要求?圣, 2018.這是一個非常簡單的技術：如果發生汽車安全氣囊展開的碰撞，eCall系統會自動聯系緊急服務。它使用GPS將時間，您的位置，您乘坐的汽車類型以及使用哪種燃料傳遞給當局，而汽車中的麥克風允許您在系統激活時直接與呼叫處理程序交談。這些eCall系統可以共享事件發生時您的行進方向，使當局知道在發生碰撞時他們需要前往高速公路的哪一側。所有這些都使救護車、警察和消防人員能夠在事故發生后盡快與您聯系，并掌握盡可能多的信息。個人也可以通過按下按鈕來激活eCall，因此如果有人生病（或在安全氣囊未展開的碰撞中受傷），仍然可以輕松召喚幫助。

存儲介質

在認識到各種系統中需要備用電源之后，問題就出現了：這種類型的備用電源的存儲介質有哪些選擇？傳統上，選擇是電容器和電池。

可以說，幾十年來，電容器技術在電力傳輸和輸送應用中發揮了重要作用。例如，傳統的薄膜和油基電容器設計執行多種功能，例如功率因數校正和電壓平衡。然而，在過去十年中，大量的研究和開發導致了電容器設計和功能的重大進步。這些先進的電容器被稱為超級電容器（也稱為超級電容器），它們非常適合用于電池儲能和備用電源系統。超級電容器在總能量存儲方面可能受到限制;然而，它們的能量密度很高。此外，它們具有快速釋放高能量和快速充電的能力。

超級電容器不僅結構緊湊，而且堅固可靠，并且可以支持備份系統對短期斷電事件的要求，例如本文已經概述的那些事件。此外，它們可以很容易地并聯或串聯堆疊，甚至兩者的組合，以滿足最終應用所需的電壓和電流需求。然而，超級電容器不僅僅是具有非常高電容水平的電容器。與標準陶瓷、鉭或電解電容器相比，超級電容器以相似的外形尺寸和重量提供更高的能量密度和電容。而且，盡管超級電容器需要一些特殊的護理，但它們正在增加甚至取代需要高電流/短時間備用電源的數據存儲應用中的電池。

此外，它們還可用于各種需要高電流突發或瞬時備用電池的高峰值功率和便攜式應用，例如UPS系統。與電池相比，超級電容器以更小的外形尺寸提供更高的峰值功率突發，并在更寬的工作溫度范圍內具有更長的充電循環壽命。通過降低電容器的浮電電壓和避免高溫（>50°C），可以最大限度地延長超級電容器的使用壽命。

另一方面，電池可以存儲大量能量，但在功率密度和傳輸方面受到限制。由于電池內發生的化學反應，它們在循環方面的壽命有限。因此，當長時間提供適量的功率時，它們最有效，因為非常快速地從中拉出許多安培，嚴重限制了它們的使用壽命。表1總結了超級電容器、電容器和電池的優缺點。

新的備份管理器電源解決方案

既然我們已經確定超級電容器、電池和/或兩者的組合都可以用作幾乎任何電子系統中的備用電源，那么有哪些可用的解決方案？

首先，任何IC解決方案都需要是一個完整的鋰離子電池備用電源管理系統，能夠在主電源故障事件期間保持3.5 V至5 V電源軌處于活動狀態。由于電池提供的能量比超級電容器多得多，因此它們非常適合需要長時間備份的應用。因此，任何IC解決方案都需要具有片內雙向同步轉換器，以便為備用電池提供高效充電，并在主電源軌發生中斷時能夠為下游負載提供高電流備用電源。因此，當外部電源可用時，該器件將用作單節鋰離子電池或LiFePO的降壓電池充電器。4電池，同時優先考慮系統負載。但是，如果輸入電源突然降至可調電源故障輸入（PFI）門限以下，IC將需要作為升壓穩壓器工作，能夠從備用電池向系統輸出提供數安培的電流。因此，如果發生電源故障，則IC將需要電源路徑控制，以提供反向阻斷以及輸入電源和備用電源之間的無縫切換。這種IC的典型應用包括車隊和資產跟蹤、汽車GPS數據記錄器、汽車遠程信息處理系統、收費系統、安全系統、通信系統、工業備份和USB供電設備。圖1顯示了使用ADI公司的線性功耗的典型應用原理圖? LTC4040 鋰離子電池備份管理器。

圖1.采用 LTC4040 的后備電源，具有一個用戶設定的 PFI 門限。

LTC4040 還包括可選的過壓保護 （OVP），可通過外部 FET 保護 IC 免受大于 60 V 的輸入電壓的影響。其可調輸入電流限制功能支持從電流限制源工作，同時優先考慮系統負載電流而不是電池充電電流。外部斷開開關在備份期間將主輸入電源與系統隔離。LTC4040 的 2.5 A 電池充電器提供 8 個針對鋰離子和 LiFePO 優化的可選充電電壓4電池。該器件還包括輸入電流監控、輸入功率損耗指示器和系統功率損耗指示器。

類似于電池的是超級電容器。但是，它們不支持長時間的斷電，而是需要高功率、短持續時間備用電源的系統的絕佳選擇。因此，任何支持此類應用的IC通常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，超級電容器具有比電池更高的功率密度，使其成為其應用需要在短時間間隔內進行高峰值功率備份的系統的理想選擇。例如，ADI公司的線性電源產品線LTC4041采用片內雙向同步轉換器，以提供高效率降壓型超級電容器充電以及高電流、高效率升壓備用電源。當外部電源可用時，該器件可用作一個或兩個超級電容器電池的降壓電池充電器，同時優先考慮系統負載。當輸入電源降至可調PFI閾值以下時，LTC4041切換至升壓模式操作，并可從超級電容器向系統負載提供高達2.5 A的電流。在電源故障事件期間，設備的 PowerPath?控制提供反向阻塞和從輸入電源到備用電源的無縫切換。LTC4041的典型應用包括穿越式“垂死喘息”電源、3 V至5 V UPS的高電流穿越、功率計、工業報警器、服務器和固態驅動器。圖 2 示出了典型的 LTC4041 應用原理圖。

圖2.LTC4041超級電容器備份應用原理圖。

LTC4041包括一個可選的OVP功能，使用外部FET，可以保護IC免受大于60 V的輸入電壓的影響。內部超級電容器平衡電路在每個超級電容器上保持相等的電壓，并將每個超級電容器的最大電壓限制在預定值。其可調輸入電流限制功能支持從電流限制源工作，同時優先考慮系統負載電流而不是電池充電電流。外部斷開開關在備份期間將主輸入電源與系統隔離。該器件還包括輸入電流監控、輸入電源故障指示器和系統電源故障指示器。

結論

每當系統必須具有恒定可用性時，即使主電源發生故障或短暫中斷，備用電源始終是明智的選擇。幸運的是，設計人員可以根據其特定需求考慮許多 IC 選項，包括 LTC4040 / LTC4041 備份管理器。這些類型的IC提供了一種簡單的方法，可以在主電源中斷或丟失時提供備用電源，無論其存儲介質是超級電容器，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，無論是瞬時突發還是長時間。因此，請確保您的系統在需要時具有正確的備份。明白了？

審核編輯：郭婷