應(yīng)急eCall－召之即來！

作者 Tony Armstrong 凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場總監(jiān)

摘要：在汽車電子系統(tǒng)中，有很多應(yīng)用需要連續(xù)供電，甚至在汽車停車后也不例外，這類應(yīng)用需要始終保持接通，以便在需要時可以通過外部操作使用基本的控制功能。因而，任何給定系統(tǒng)都需要備份電源，本文介紹了一款面向必須在主電源故障時保持有效的 3.5V 至5V 電源軌，完整的鋰離子電池備份電源管理系統(tǒng)LTC4040，該系統(tǒng)很高地解決了電源備份問題。

引言

　　無論外部工作條件如何，電子系統(tǒng)都必須持續(xù)保持運行。換一種說法就是，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，系統(tǒng)電源中的任何干擾都必須考慮到，無論干擾是瞬時的，還是持續(xù)幾秒，甚至幾分鐘。應(yīng)對這類環(huán)境的最常見方法是使用不間斷電源 (UPS)，以防止出現(xiàn)這類干擾導(dǎo)致的短暫宕機，從而確保系統(tǒng)以高可靠性連續(xù)運行。類似地，人們今天使用很多應(yīng)急和備用系統(tǒng)為建筑系統(tǒng)提供備份電源，以確保無論由于什么原因?qū)е峦ｋ姇r，安全系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備都能夠保持不間斷運行。

　　在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂貌⑶覠o處不在的手持式電子設(shè)備中，可以輕而易舉地發(fā)現(xiàn)另一種顯而易見的例子。因為可靠性是至為重要的，所以手持式設(shè)備都經(jīng)過仔細設(shè)計，采用輕型電源，以在正常情況下可靠地使用。不過，無論多么仔細地設(shè)計，都不可能防止這類設(shè)備在人們使用時出現(xiàn)意外。例如，工廠中的工人失手掉落了條碼掃描器，結(jié)果會怎么樣? 電池會掉出來嗎? 這類事件從電子設(shè)計上是不可預(yù)測的，如果沒有某種形式的安全保障，存儲在易失性存儲器中的重要數(shù)據(jù)就會丟失，所謂安全保障，就是一種短期電源保持系統(tǒng)，該系統(tǒng)存儲充足的能量，以在更換電池或數(shù)據(jù)存儲進永久性存儲器之前提供備用電源。這些例子清楚地表明，需要提供可替換電源，以防主電源中斷影響系統(tǒng)持續(xù)運行。

1 汽車系統(tǒng)中需要連續(xù)供電的應(yīng)用

　　在汽車電子系統(tǒng)中，有很多應(yīng)用需要連續(xù)供電，甚至在汽車停車后也不例外，例如遙控?zé)o鑰匙進入、安防系統(tǒng)、個人信息娛樂系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通常包含導(dǎo)航、GPS 定位和eCall功能。也許很難理解為什么這類系統(tǒng)必須保持接通，甚至在汽車未處于行駛狀態(tài)時也是如此，不過出于應(yīng)急和安防目的，這類系統(tǒng)中的GPS 功能必須“始終保持接通”。這種要求很有必要，以便在需要時可以通過外部操作使用基本的控制功能。

　　下面以eCall系統(tǒng)作為例子來解釋一下。eCall系統(tǒng)是一種安全功能，目前在較新型的汽車中變得越來越普及，很多制造商已經(jīng)在各個系列的車型中推出了該功能。這是一種相當(dāng)簡單的技術(shù)：在發(fā)生碰撞后，汽車的氣囊展開時，eCall系統(tǒng)自動聯(lián)系應(yīng)急服務(wù)機構(gòu)。該系統(tǒng)用 GPS 功能向有關(guān)當(dāng)局發(fā)送時間、車輛所處地點、車輛的類型、車輛使用什么燃料等信息，同時當(dāng)系統(tǒng)激活后，駕駛員可以使用車中的麥克風(fēng)直接與呼叫處理人員通話。

　　eCall系統(tǒng)還提供事故發(fā)生時車輛行駛方向的信息，從而在車輛發(fā)生碰撞時，有關(guān)當(dāng)局能夠得知需要從高速公路的哪一側(cè)向事發(fā)地行駛。所有這一切使救護車、警察和消防人員能夠獲得盡可能多的信息，并能夠在事故發(fā)生后盡快趕過來。個人也可以通過一個按鈕來激活eCall系統(tǒng)，因此如果駕駛員生病了 (或者在車輛碰撞中受傷了，而氣囊并未展開)，仍然可以非常方便地請求幫助。

2 存儲介質(zhì)

　　承認任何給定系統(tǒng)都需要備份電源后，問題就來了：可以使用什么樣的存儲介質(zhì)來提供這種備份電源? 傳統(tǒng)的選擇是電容器和電池。

　　幾十年來電容器技術(shù)一直在電力輸送應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。例如，傳統(tǒng)的薄膜和油浸電容器設(shè)計提供各種功能，諸如功率因數(shù)校正和電壓平衡等。不過，在過去 10 年中，人們進行了大量研發(fā)，已經(jīng)在電容器設(shè)計和功能方面取得了巨大進步。這些新型電容器稱為超級電容器，非常適合用在電池能量存儲和備份電源系統(tǒng)中。就存儲的總能量而言，超級電容器也許是受限的，但是這類電容器是“能量密集”型的。此外，超級電容器能夠快速大量地釋放能量，并快速再充電。

　　超級電容器還具備緊湊、堅固和可靠的特點，可針對前述已經(jīng)提到的短暫電源缺失事件滿足備份系統(tǒng)的要求。超級電容器可以方便地并聯(lián)，或串聯(lián)疊置，甚至串并聯(lián)組合，以滿足最終應(yīng)用必需的電壓和電流需求。不過，超級電容器不僅是一種具很大電容的電容器。與標準陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比，超級電容器以類似的外形尺寸和重量提供更大的能量密度和電容。而且，盡管超級電容器需要在某種程度上“細心對待和饋電”，但是它們在需要大電流/短持續(xù)時間備份電源的數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用中，增強甚至取代了電池。

　　此外，超級電容器也用在各種需要諸如 UPS 等大電流突發(fā)或瞬時電池備份的高峰值功率和便攜式應(yīng)用中。與電池相比，超級電容器外形尺寸更小，可提供峰值功率更高的突發(fā)，在更寬的工作溫度范圍內(nèi)提供更長的充電周期壽命。通過降低電容器的 Top-off 電壓并避免高溫 (>50℃)，可以最大限度延長超級電容器的壽命。

　　另一方面，電池可以存儲大量能量，但是功率密度和功率提供能力受限。由于在電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以電池循環(huán)壽命有限。因此在長時間內(nèi)提供適量功率時，電池是最有效的，因為從電池吸取很多安培的電流會非常快速且嚴重地限制其可用工作壽命。表 1 總結(jié)了超級電容器、電容器和電池之間相比較的優(yōu)缺點。

3 新的備份電源解決方案

　　既然我們已經(jīng)樹立了這樣的觀念：超級電容器、電池和/或二者的組合可在幾乎任何電子系統(tǒng)中用作備份電源，那么哪些是可用的 IC 解決方案呢? 答案是，凌力爾特擁有廣泛的、專為滿足這類應(yīng)用需求而設(shè)計的 IC。

　　LTC4040 是一款完整的鋰離子電池備份電源管理系統(tǒng)，面向必須在主電源故障時保持有效的 3.5V 至 5V 電源軌。電池比超級電容器提供的能量多得多，從而非常適合需要備份電源以延長工作時間的應(yīng)用。LTC4040 用一個內(nèi)置雙向同步轉(zhuǎn)換器提供高效率電池充電以及大電流、高效率備份電源。當(dāng)外部電源可用時，該器件作為降壓型電池充電器運行，面向單節(jié)鋰離子或LiFePO4電池，同時優(yōu)先為系統(tǒng)負載供電。當(dāng)輸入電源降至低于可調(diào)電源故障輸入 (PFI) 門限時，LTC4040 作為升壓型穩(wěn)壓器運行，能夠從備份電池向系統(tǒng)輸出提供高達 2.5A 電流。在電源發(fā)生故障時，該器件的PowerPath?控制提供反向隔離，并在輸入電源與備份電源之間實現(xiàn)無縫切換。LTC4040 的典型應(yīng)用包括車隊和資產(chǎn)跟蹤、汽車 GPS 數(shù)據(jù)記錄儀、汽車遠程信息處理系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)備份電源以及 USB 供電設(shè)備。圖1所示為典型應(yīng)用原理圖。

　　LTC4040 還提供可選過壓保護 (OVP) 功能，通過一個外部 FET 針對高于 60V 的輸入電壓保護該 IC。其可調(diào)輸入電流限制功能允許用電流受限的電源工作，同時優(yōu)先于電池充電電流提供系統(tǒng)負載電流。一個外部斷接開關(guān)在備份電源工作時隔離主輸入電源和系統(tǒng)。LTC4040 的 2.5A 電池充電器提供 8 個為鋰離子和LiFePO4電池而優(yōu)化的可選充電電壓。該器件還提供輸入電流監(jiān)視功能、一個輸入電源缺失指示器和一個系統(tǒng)電源缺失指示器。

4 結(jié)論

　　無論何時，只要有即使主電源發(fā)生故障，系統(tǒng)也要始終可用的設(shè)計要求，那么使用備份電源就總是一個好主意。幸運的是，有很多 IC 選擇，就像 LTC4040 一樣，無論存儲介質(zhì)是超級電容器、電解質(zhì)電容器還是電池，都可以簡便地用來實現(xiàn)備份電源。顯然，在汽車環(huán)境中的eCall系統(tǒng)情況下，如果發(fā)生事故、主電源斷接，那么啟用備份電源可以挽救生命。因此，一定要確保為你的eCall用戶提供一個良好的備份電源計劃。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第4期第78頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。