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逆變電源
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    需要備用電源?保持電源連續(xù)性
  • 需要備用電源?保持電源連續(xù)性
  •   發(fā)布日期: 2021-06-24  瀏覽次數(shù): 1,415

    在當(dāng)今持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的世界里,無(wú)論外部環(huán)境或運(yùn)行條件如何,許多電子系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行是常見(jiàn)現(xiàn)象。換句話說(shuō),系統(tǒng)電源的任何故障,無(wú)論是瞬時(shí)、以秒計(jì)還是以分鐘計(jì)的故障,都必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中加以考慮。處理此類(lèi)情況的最常見(jiàn)的方式是使用不間斷電源(UPS)來(lái)彌補(bǔ)這些短暫的停機(jī)時(shí)間,從而確保系統(tǒng)以高可靠性連續(xù)運(yùn)行。同樣,當(dāng)今有許多應(yīng)急和備用系統(tǒng)用來(lái)為樓宇系統(tǒng)提供備用電源,以保證安保系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備能夠在斷電期間(無(wú)論根本原因是什么)保持運(yùn)行。

    我們?nèi)粘I钪惺褂玫臒o(wú)處不在的手持電子設(shè)備中可以很容易找到一些明顯的例子。由于可靠性至關(guān)重要,手持設(shè)備采用輕便電源精心設(shè)計(jì),可在一般條件下可靠使用。但是,再精心的設(shè)計(jì)也無(wú)法防止人們的誤操作。例如,手持便攜式掃描設(shè)備從工廠工人手中掉下,導(dǎo)致其電池摔出來(lái)。這些事件在電子學(xué)上是不可預(yù)測(cè)的,如果沒(méi)有某種形式的安全網(wǎng)——即某種短期電力保持系統(tǒng),其中儲(chǔ)存有足夠的能量來(lái)提供備用電源,直到電池被更換或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到永久性存儲(chǔ)器中——存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)器中的重要數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。

    此例清楚地說(shuō)明了電子系統(tǒng)需要其他形式的電源,以便在主電源中斷時(shí)有電可用。

    在汽車(chē)電子系統(tǒng)中,有許多應(yīng)用需要用到連續(xù)電源,哪怕汽車(chē)處于駐車(chē)狀態(tài)(發(fā)動(dòng)機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)),例如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入、安全、甚至個(gè)人信息娛樂(lè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常包含導(dǎo)航、GPS定位和eCall功能。很容易理解為什么這些系統(tǒng)即使在汽車(chē)不行駛時(shí)也必須保持開(kāi)啟,因?yàn)檫@些系統(tǒng)的GPS必須始終在線以用于緊急和安全目的。這是必然的要求,以便在必要時(shí)可由外部操作員激活基本控制。

    考慮eCall系統(tǒng)(以美國(guó)通用汽車(chē)公司的OnStar®系統(tǒng)為例),其在全球的新車(chē)上越來(lái)越普遍,許多制造商的各系車(chē)型上均已裝備這種系統(tǒng)。事實(shí)上,歐洲強(qiáng)制性要求2018年3月31日之后出售的所有新車(chē)和輕型卡車(chē)都必須裝備此類(lèi)系統(tǒng)。這是一項(xiàng)相當(dāng)簡(jiǎn)單的技術(shù):當(dāng)發(fā)生碰撞,汽車(chē)安全氣囊打開(kāi)時(shí),eCall系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)絡(luò)應(yīng)急服務(wù)。它通過(guò)GPS將時(shí)間、位置、汽車(chē)類(lèi)型和所用燃油種類(lèi)傳遞給有關(guān)機(jī)構(gòu)。同時(shí)在該系統(tǒng)激活后,您可以利用汽車(chē)中的麥克風(fēng)與呼叫處理人員直接通話。eCall系統(tǒng)可以告知事故發(fā)生時(shí)您沿哪個(gè)方向行駛,以便有關(guān)機(jī)構(gòu)知道需要從道路哪一邊進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)。所有這一切讓救護(hù)車(chē)、警察和消防員能夠在事發(fā)后盡快到達(dá)現(xiàn)場(chǎng),并掌握盡可能多的信息。個(gè)人通過(guò)按下按鈕也可以激活eCall,因此如果有人生?。ɑ蛟谂鲎仓惺軅?,但安全氣囊未打開(kāi)),仍然可以輕松呼叫幫助。

      儲(chǔ)存介質(zhì)

    了解眾多系統(tǒng)需要備用電源后,隨之而來(lái)的問(wèn)題是:此類(lèi)備用電源的儲(chǔ)存介質(zhì)有哪些選擇?傳統(tǒng)選擇是電容和電池。

    可以說(shuō),電容技術(shù)在電力傳輸和配送應(yīng)用中發(fā)揮重要作用已有數(shù)十年之久。例如,傳統(tǒng)的薄膜和油基電容的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)很多種功能,包括功率因數(shù)校正和電壓平衡等。但是,過(guò)去十年中進(jìn)行了大量的研究和開(kāi)發(fā),使得電容設(shè)計(jì)和容量有了顯著進(jìn)步。這些先進(jìn)的電容被稱(chēng)為超級(jí)電容,非常適合用于電池儲(chǔ)能和備用電源系統(tǒng)。超級(jí)電容的總儲(chǔ)能量有限,但其能量密度非常高。此外,超級(jí)電容具有快速釋放高能量并快速充電的能力。

    超級(jí)電容不僅結(jié)構(gòu)緊湊,而且穩(wěn)健可靠,可滿(mǎn)足備用電源系統(tǒng)的要求,應(yīng)對(duì)上面所說(shuō)的短期電源喪失事件。另外,超級(jí)電容很容易并聯(lián)或串聯(lián)堆疊,甚至采取串并聯(lián)組合,為最終應(yīng)用提供必要的電壓和電流。然而,超級(jí)電容不僅僅是具有非常大容值的電容器。與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷電容、鉭電容或電解電容相比,同樣尺寸和重量的超級(jí)電容具有更高的能量密度和更大的電容。雖然超級(jí)電容需要特殊維護(hù),但在需要高電流/短時(shí)備用電源的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中,其超越甚至可以替換電池。

    此外,超級(jí)電容還可用于各種需要高突發(fā)電流或短暫備用電池的高峰值功率和便攜式應(yīng)用中,例如UPS系統(tǒng)。與電池相比,超級(jí)電容以更小的尺寸提供更高的突發(fā)峰值功率,并且充電循環(huán)次數(shù)更多,工作溫度范圍更寬。通過(guò)降低超級(jí)電容的上截止電壓并避免高溫(》 50°C),可以最大限度地延長(zhǎng)超級(jí)電容的使用壽命。

    Batteries, on the other hand, can store a lot of energy, but are limited in terms of power density and delivery.

    另一方面,電池可以?xún)?chǔ)存大量能量,但在功率密度和輸送方面有局限性。電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),故其充電循環(huán)次數(shù)很有限。因此,如果要在較長(zhǎng)時(shí)間里輸送適量功率,那么電池最有效,而讓電池非常迅速地輸出大電流,則會(huì)嚴(yán)重縮短其有效使用壽命。表1總結(jié)了超級(jí)電容、普通電容和電池的優(yōu)缺點(diǎn)。

    表1.超級(jí)電容與普通電容和電池的特性比較  

      新型備用管理器電源解決方案

    現(xiàn)在我們已經(jīng)明確,超級(jí)電容、電池和/或二者的組合可以用作幾乎所有電子系統(tǒng)的備用電源,那么有哪些解決方案可用呢?

    首先,任何IC解決方案都會(huì)需要一個(gè)完整的鋰離子電池備用電源管理系統(tǒng),其必須能夠在主電源發(fā)生故障時(shí)讓3.5 V至5 V電源軌保持供電。電池提供的能量比超級(jí)電容要多很多,因此需要備用電源長(zhǎng)時(shí)間供電的應(yīng)用使用電池更合適。相應(yīng)地,任何IC解決方案都會(huì)需要片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器,以便對(duì)備用電池高效率充電;如果主電源軌發(fā)生中斷,它還能向下游負(fù)載提供高電流備用電源。因此,當(dāng)外部電源可用時(shí),該器件將用作單節(jié)鋰離子或LiFePO4電池的降壓電池充電器,同時(shí)賦予系統(tǒng)負(fù)載以?xún)?yōu)先權(quán)。然而,如果輸入電源突然降至可調(diào)電源失效輸入(PFI)閾值以下,該IC將需要充當(dāng)升壓調(diào)節(jié)器,以從備用電池向系統(tǒng)輸出提供幾安培的電流。因此,如果發(fā)生電源故障,該IC將需要執(zhí)行電源路徑控制,以提供反向阻斷并在輸入電源和備用電源之間無(wú)縫切換。這種IC的典型應(yīng)用包括車(chē)隊(duì)和資產(chǎn)跟蹤、汽車(chē)GPS數(shù)據(jù)記錄器、汽車(chē)遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)備用電源及USB供電設(shè)備。圖1顯示了采用ADI公司Power by Linear™ LTC4040鋰離子電池備用管理器的典型應(yīng)用原理圖。

     

    圖1.采用LTC4040且使用用戶(hù)設(shè)置PFI閾值的備用電源。

    LTC4040還有可選的過(guò)壓保護(hù)(OVP)功能,通過(guò)外部FET保護(hù)IC免受高于60 V的輸入電壓的影響。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電,同時(shí)系統(tǒng)負(fù)載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開(kāi)開(kāi)關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。LTC4040的2.5 A電池充電器提供8種針對(duì)鋰離子電池和LiFePO4電池優(yōu)化的可選充電電壓。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源喪失指示器和系統(tǒng)電源喪失指示器。

    與電池類(lèi)似的是超級(jí)電容。然而,超級(jí)電容不支持主電源長(zhǎng)時(shí)間喪失的場(chǎng)合,但它是需要高功率、短時(shí)間備用電源的系統(tǒng)的出色選擇。因此,任何支持此類(lèi)應(yīng)用的IC通常都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(jí)電容的功率密度高于電池,這使其成為短時(shí)間內(nèi)需要高峰值功率備用電源的系統(tǒng)的理想選擇。舉例來(lái)說(shuō),ADI公司Power by Linear產(chǎn)品線中的LTC4041使用片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器,提供高效率的降壓超級(jí)電容充電,以及高電流、高效率的升壓備用電源。當(dāng)外部電源可用時(shí),該器件用作一個(gè)或兩個(gè)超級(jí)電容單元的降壓電池充電器,同時(shí)賦予系統(tǒng)負(fù)載以?xún)?yōu)先權(quán)。當(dāng)輸入電源降至可調(diào)PFI閾值以下時(shí),LTC4041切換到升壓工作模式,可以從超級(jí)電容向系統(tǒng)負(fù)載提供最高2.5 A的電流。在電源故障期間,該器件的PowerPath™控制功能提供反向阻斷以及從輸入電源到備用電源的無(wú)縫切換。LTC4041的典型應(yīng)用包括穿越“致命故障”(dying gasp)電源、高電流穿越3 V至5 V UPS、功率計(jì)、工業(yè)報(bào)警器、服務(wù)器和固態(tài)驅(qū)動(dòng)器。圖2顯示了一個(gè)典型LTC4041應(yīng)用原理圖。

     

    圖2.LTC4041超級(jí)電容備用電源應(yīng)用原理圖。

    LTC4041有一個(gè)可選的OVP功能,使用外部FET來(lái)保護(hù)IC免受高于60 V的輸入電壓的影響。內(nèi)部超級(jí)電容平衡電路使每個(gè)超級(jí)電容上的電壓保持相等,并將每個(gè)超級(jí)電容的最大電壓限制在預(yù)定值。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電,同時(shí)系統(tǒng)負(fù)載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開(kāi)開(kāi)關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源失效指示器和系統(tǒng)電源失效指示器。

      結(jié)論

    如果要求系統(tǒng)必須持續(xù)可用,即便主電源失效或短暫中斷也不能停機(jī),那么提供備用電源永遠(yuǎn)是明智選擇。幸運(yùn)的是,有很多IC選擇可供設(shè)計(jì)人員考慮以滿(mǎn)足特定需求,包括LTC4040/LTC4041備用管理器。當(dāng)主電源中斷或喪失時(shí),此類(lèi)IC很容易讓備用電源發(fā)揮作用,無(wú)論其儲(chǔ)存介質(zhì)是超級(jí)電容、電解電容器還是電池。LTC4040和/或LTC4041具有為終端系統(tǒng)提供備用電源的功能,無(wú)論是瞬時(shí)突發(fā)供電還是長(zhǎng)時(shí)間供電。因此,請(qǐng)確保您的系統(tǒng)在需要時(shí)有合適的備用電源可用。明白了吧?

      作者簡(jiǎn)介

    Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear產(chǎn)品部門(mén)的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)。他負(fù)責(zé)電源轉(zhuǎn)換和管理產(chǎn)品從上市到停產(chǎn)的所有事務(wù)。加入ADI之前,Tony在Linear Technology(現(xiàn)為ADI公司一部分)、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel擔(dān)任過(guò)營(yíng)銷(xiāo)、銷(xiāo)售和運(yùn)營(yíng)方面的不同職位。他畢業(yè)于英格蘭曼徹斯特大學(xué),獲得應(yīng)用數(shù)學(xué)(榮譽(yù))學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式:anthony.armstrong@analog.com

    Steve Knoth是ADI公司Power by Linear部門(mén)的高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師。他負(fù)責(zé)所有電源管理集成電路PMIC)產(chǎn)品、低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、電池充電器、電荷泵、基于電荷泵的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器、超級(jí)電容器充電器、低壓?jiǎn)纹?u style="color: rgb(51, 51, 51) !important;">開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和理想二極管器件。Steve從1990年起在Micro Power Systems、ADI公司和Micrel Semiconductor擔(dān)任過(guò)不同營(yíng)銷(xiāo)和產(chǎn)品工程職位,之后于2004年加入Linear Technology(現(xiàn)為ADI公司一部分)。他于1988年獲得圣何塞州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位,并于1995年獲得該大學(xué)物理學(xué)碩士學(xué)位。2000年,Steve還獲得了鳳凰城大學(xué)技術(shù)管理碩士學(xué)位(MBA)。除了與孩子們共度美好時(shí)光之外,Steve還喜歡玩彈球/街機(jī)游戲或肌肉車(chē),以及購(gòu)買(mǎi)、銷(xiāo)售、收藏古董玩具和電影/體育/汽車(chē)紀(jì)念品。


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