超级电容备用电路提供可靠的不间断电源

临时备用电源是各种应用的常见要求，每当主电源突然不可用时。示例包括从服务器到固态驱动器的数据备份应用、工业或医疗应用中的电源故障警报，以及许多其他“垂死的喘息”功能，其中必须确保有序断电并将系统状态传达给通电主机。过去，这些类型的高可靠性系统使用电池在主电源不足或不可用时提供不间断电源。然而，电池备份伴随着许多权衡，包括长充电时间、有限的电池寿命和循环寿命、安全性和可靠性问题以及大物理尺寸。随着高价值双电层电容器（更广为人知的超级电容器）的出现，可以采用替代备份架构来消除许多这些权衡。

电池与电容器

依赖电池作为备用电源的系统要求始终提供充满电的电池，并具有适当的容量，以保持易失性内存存活或警报响起，直到电源恢复。通常，每当主电源发生故障时，采用备用电池的系统就会进入低功耗待机状态，并且只有系统的关键易失性存储器或报警部分保持供电。由于无法预测电源故障持续时间，因此此类系统需要超大尺寸的电池，以避免在长时间停电期间丢失数据的可能性。

基于电容器的备份系统使用不同的方法。与在整个备份时间内提供连续电源的基于电池的系统不同，基于电容器的系统只需要短期备用电源，以便将易失性数据传输到闪存中或在最短的必要时间内提供“垂死的喘息”报警操作。保存所需数据并正确发出电源故障警报后，电源恢复时间就不重要了。

这种方法有几个优点。首先，可以完全避免与电池相关的众多权衡。也不再需要在最坏情况下的备份持续时间下过大的能量存储元件。虽然基于电容器的系统所需的备用电源要求通常远高于基于电池的系统，但备用能源要求通常要低得多。由于备份解决方案的成本和尺寸通常由存储元件主导，因此电容器解决方案通常更小且更便宜。随着能够存储大量焦耳能量的小型、相对便宜的超级电容器的出现，可以用电容器代替电池来满足的备份应用的数量已经大大增加。

备份系统要求

所有基于电容器的备份系统共享许多共同元件。™ 需要电源路径控制和电源故障检测，以便从正确的电源向负载供电，并在从正常操作转换到备用模式时向系统发出警报。存储电容器需要充电，理想情况下，这是以快速、高效的方式完成的。由于除非在备用电容器上存储足够数量的焦耳，否则无法进行正确的备份，因此许多应用要求在系统启动并准备好运行时完成充电。因此，通常需要高充电电流，并且由于超级电容器的最大工作电压通常为2.7V，因此通常并且通常需要串联堆叠多个超级电容器。在这种情况下，必须在电容器充电时进行平衡和保护，以防止由于过压而损坏和寿命下降。

图 1 示出了 LTC3350 的简化原理图，LTC3350 是一款专为满足电容器备份应用而设计的电容器充电器和备份控制器 IC。LTC3350 包括为需要基于电容器的备份的应用提供完整、独立的备份控制器所需的所有功能。该器件可对多达四个串联电容器进行充电、平衡和保护。输入电源故障门限、电容器充电电压和调节的最小备份电压均可利用外部电阻器进行设置。此外，该器件还包含一个非常精确的 14 位内部测量 ADC，用于监控输入、输出以及电容器电压和电流。内部测量系统还监控与备用电容器本身相关的参数，包括电容器堆栈电压、电容和堆栈 ESR（等效串联电阻）。所有系统参数和故障状态均可通过双线I回读2可以设置C总线和报警级别，以提醒系统任何这些测量参数的突然变化。

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图1.大电流超级电容器充电器和备用控制器

超级电容器充电基础知识

为超级电容充电类似于为电池充电，除了几个关键点。第一种是，完全放电的电容器可以在整个充电周期内以全电流充电，而电池需要涓流充电，直到电池达到指定的最小电压。第二点是电容器不需要终止定时器。一旦达到最终的“浮动”电压，电容器就不能存储额外的电荷，并且必须停止充电。如果两个或多个超级电容串联充电，则电池与电池之间的任何电容不匹配都将导致每个电容器在电池组充电时出现不同的电压增加速率。需要具备额外的安全功能，以确保在充电周期内没有电容器超过其最大额定电压。此外，必须使用平衡系统来确保一旦电池组充电，所有电池都会被迫达到相同的电压，并且不会因自放电差异而随着时间的推移而漂移。这种电池间平衡可确保最长的电容器使用寿命。

LTC3350 中的充电电路由一个高电流、同步降压型控制器和一个电阻器组成，可设置最大充电电流和最大堆栈电压（图 2）。由于充电器由为负载供电的同一电源供电，因此 LTC3350 还包含一个单独的可编程输入电流限值，该限值可在重 V 电压下自动减小电容器的充电电流外负载条件。内部低电流平衡器（图2中未显示）强制所有电池之间的电压在10mV以内，每节电池的最大电压为5V。内部保护分流器（也未显示）将自动降低充电电流，并在已达到2.7V默认值或用户编程的最大电池电压的任何电容器周围分流剩余充电电流。此外，在软件控制下，可以降低电池组充电电压，以便在给定的备用能量要求下优化电容器寿命。有关此主题的更多信息如下。

图2.大电流超级电容器充电器和备用控制器

备份模式

一旦备用电容器组充电，系统现在能够提供备用电源。充电模式和备份模式由PFI（电源故障输入）引脚上的电压决定。如果 V在电压下降导致PFI比较器跳变低，器件立即进入备份模式（见图3）。V外将下降为 V在下降，一旦 V外电压低于电容组电压，OUTFET理想二极管导通以防止V外从进一步下降。一次 V外电容充电器降至由 OUTFB 引脚上的电阻分压器设置的电压，与同步升压备份 DC/DC 转换器以相反方向工作，使用 VCAP 堆栈作为其输入源和 V外作为其调节输出。升压备份转换器将继续运行，直到它无法再支持 V外负载条件和 V 上的电压外低于 4.5V UVLO 点。这允许超级电容堆栈中的几乎所有可用能量在备份期间传输到负载，因为当堆栈电压远低于4.5V时，升压将继续运行。典型的备份方案也如图 3 所示。在本例中，由四个串联电容组成的堆栈充电至10V，在备份模式V期间外被调节至最小 8V，直到备用电容器的所有能量耗尽。

图3.备份模式下的电源路径操作

“运行状况”监控可确保可靠性并优化性能

在需要短期备用电源的高可靠性系统中，必须存储足够的能量并使其可用，以便在主电源故障后立即执行关键功能。备用能源必须能够提供必要的备用电源。超级电容器是此类应用的绝佳选择，因为它们具有极高的单位体积电容和非常低的 ESR。但是，与电池一样，它们的性能会随着时间的推移而下降。电容寿命通常（有点任意）定义为电容下降30%和/或ESR增加100%所需的时间。如图4所示，高工作电压或高温会加速电容器退化。由于电容和电容ESR对于确保系统能够执行可靠的备份至关重要，因此系统能够监控和报告备用电容老化时的“健康状况”非常重要。

图4.典型超级电容器寿命与温度和电压的关系

一旦电容器堆栈充满电，LTC3350 就会以用户选择的时间频率自动监视堆栈电容和堆栈 ESR。该器件采用精密电流源、精密定时电路及其内部 14 位 ADC 来精确监控堆栈电容。当充电器被强制关闭时，从电容器组的顶部拉出精确的编程电流。精确测量电容器组下降200mV所需的时间，并根据这些参数计算堆栈电容。电容测试完成后，ESR测试是通过测量堆栈电压来完成的，无论是否运行大电流充电器以重新充电堆栈。使用充电器执行此测试，无需外部高功率测试负载。充电器使能后，电池组电压的瞬时增加对应于测量的充电电流*堆栈ESR。电容和电容ESR的最新值可以随时通过I回读2C.

一旦知道堆栈电容和ESR值，就可以直接计算所需的最小堆栈电压，以确保给定应用的可靠备份。由于大多数备份系统设计有内置裕量，因此通常可以安全地将堆栈电压从其标称值降低，从而最大限度地延长电容器的使用寿命。这可通过软件控制 LTC3350 VCAP 反馈 DAC 电压轻松实现。

结论

非常高的电容和非常低的ESR相结合，使超级电容器能够为解决常见问题（如备用电源解决方案）提供新的方法。然而，性能的巨大飞跃很少没有权衡。有效利用超级电容通常需要串联电池，而串联电池又需要保护和平衡电路。虽然超级电容器的循环寿命和寿命通常可能远远超过竞争电池技术，但随着时间的推移，电容电压和温度的微小变化可能会导致系统功能发生巨大变化。因此，“健康”监控通常是任何基于电容器的备份系统的必备功能。新产品（如 LTC3350）旨在解决专门与超级电容器备份应用相关的此类问题，并为开发可靠、灵活、高性能的备份解决方案提供最简单的方法。

审核编辑：郭婷