為數(shù)據(jù)備份和保留提供電源支持的快速入門指南
發(fā)布時(shí)間:2018-07-25 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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;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(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 (VIN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) 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 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(cè)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 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。
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