芯耀
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作者：駿龍科技 Carter Huang
摘要：
本文對ADI在超級電容備份電源的應(yīng)用進行了簡要總結(jié)與歸納，同時給出了部分解決方案及測試結(jié)果，并提供了部分實物設(shè)計圖，適合研發(fā)人員進行相關(guān)設(shè)計時參考。
正文：
超級電容因其高功率密度、快速充放電和長壽命等特性，在多個行業(yè)中作為備份電源得到廣泛應(yīng)用。例如在公共交通工具的啟動和制動、軌道交通的能量回收及電源備份、通訊及電力設(shè)備電源備份等。本文使用 ADI 器件設(shè)計了相關(guān)的超級電容充電和升壓切換模組，對相關(guān)設(shè)計中的部分問題進行探討，最后對模塊進行測試，并提供了實物圖、測試波形等進行參考。
24V及以下超級電容備份系統(tǒng)典型框圖
下圖（圖1）為?24V 及以下超級電容備份系統(tǒng)設(shè)計框圖：
圖1 設(shè)計框圖
1. 輸入電源
輸入電源（如適配器或外部電源）為系統(tǒng)提供能量，同時正常工況時可以給超級電容進行充電。
2. 充電模塊
典型系統(tǒng)采用降壓充電電路，將輸入電壓降至適合超級電容的充電電壓，并按照配置好的充電模式對超級電容組進行充電，器件一般帶恒流充電或者輸入功率限制等功能。
3. 超級電容組
超級電容，用于存儲能量，典型的單體超級電容電壓有2.7V、3.0V 等，需要根據(jù)實際應(yīng)用的需求進行串并聯(lián)組合。
4. 均衡電路
確保每個單體超級電容單元的電壓均衡，防止過壓或欠壓，一般電路為帶基準(zhǔn)的比較器器件、功率 MOS 管、功率電阻，或者3者功能集成的器件，當(dāng)單體電容電壓超過閾值時，通過 MOS 和外部功率電阻進行放電。
5. 升壓模塊
一般為升壓轉(zhuǎn)換器，將超級電容的電壓提升至負(fù)載所需的工作電壓，推薦使用帶過流保護功能的寬輸入范圍同步升壓器件，以最大程度的利用電容能量。
6. 切換控制模塊
切換電路，在輸入電源和超級電容之間升壓電路之間切換，確保負(fù)載在不同情況下獲得穩(wěn)定的電源供應(yīng)，需要根據(jù)輸入電源的狀態(tài)和負(fù)載需求，控制切換電路的運作。
7. 模塊整體電壓監(jiān)測及過流檢測、模組快速放電電路等
這些屬于整體的功能安全電路，由于超級電容的容量大，需要考慮整體模組的放電及故障關(guān)斷及監(jiān)控等。
分立方案ADI器件推薦
下表為各功能模塊下推薦的 ADI 器件以及它們的功能：
根據(jù)相關(guān)的器件和設(shè)計思路，我們設(shè)計了如下的實際電路并進行了一些簡單的測試。下圖（圖2）、（圖3）分別為電路模塊的正、反面。
圖2 模塊正面
圖3 模塊背面
模塊簡要測試
如下圖（圖4）所示，通道 1 是負(fù)載供電電壓，通道 2 是正常供電電壓 Vin, 通道 3 是超級電容充滿后升壓器件的輸出電壓。當(dāng)通道 2 發(fā)生故障或者電壓跌落，模塊切換到通道 3 輸出，切換過程基本沒有波動。
圖4 通道2發(fā)生故障時的模塊切換備用電源狀態(tài)
從下圖（圖5）中看到，當(dāng)通道2正常供電電壓恢復(fù)正常，整個模塊在400uS內(nèi)完成了電源從通道3超級電容供電到通道2正常供電的切換。
圖5 模塊切換回正常供電狀態(tài)
ADI集成器件介紹
ADI目前推出了很多集成充電、升壓及功率路徑切換的器件方案，如MAX38890、LTC3350、LTC3351、LTC3355等，下圖（圖6）展示了LTC3350的推薦設(shè)計模塊。這些器件針對不同電壓等級、不同數(shù)量及容量的超級電容等，具有更高集成度的優(yōu)勢，設(shè)計時可靈活選用。
圖6 LTC3350的推薦設(shè)計模塊
總結(jié)
ADI針對超級電容作為備用電源的設(shè)計方案，提供了多種解決方案。在實際設(shè)計中，我們要在體積、可靠性、功能、效率、散熱等方面綜合考慮。ADI與駿龍科技愿意幫助客戶在相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計中尋找合適的方案，使產(chǎn)品在眾多要求中達(dá)到一個合理的平衡。如需對接具體產(chǎn)品或了解更多技術(shù)細(xì)節(jié)，請與駿龍科技當(dāng)?shù)氐霓k事處聯(lián)系，或發(fā)送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細(xì)的技術(shù)解答。
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