基于超級電容器的后備電源可防止RAID系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)丟失

引言

就其本質(zhì)而言，獨(dú)立冗余磁盤陣列(RAID)系統(tǒng)是專為在面對惡劣環(huán)境時保存數(shù)據(jù)而設(shè)計。電源故障就是一個例子，它會威脅到臨時存儲在易失性存儲器之中的數(shù)據(jù)。為了保護(hù)這些數(shù)據(jù)，許多系統(tǒng)采用了基于電池的后備電源，這種后備電源可提供足以供RAID控制器將易失性數(shù)據(jù)寫入非易失性存儲器的短時功率。然而，閃存性能的進(jìn)步(例如：DRAM密度、較低的功耗和較快的寫入時間)、再加上超級電容器的技術(shù)改良(比如：較低的ESR和每單位體積較高的電容)，使得能夠采用壽命更長、性能更高和“環(huán)保性更佳”的超級電容器來替代這些系統(tǒng)中的電池。圖1示出了一款基于超級電容器的后備電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了LTC3625超級電容充電器、一個使用LTC4412 PowerPath控制器的自動電源通道切換和一個LTM4616雙路輸出μModule DC/DC轉(zhuǎn)換器。LTC3625是一款高效率超級電容充電器，非常適合于RAID應(yīng)用中的小型后備電源系統(tǒng)。該器件采用3mm x 4mm x 0.75mm 12引腳DFN封裝，且所需的外部組件極少。它具有一個高達(dá)1A的可編程平均充電電流、兩個串接超級電容器的自動電量電壓平衡功能和一種從超級電容器吸收少於1μA電流的低電流狀態(tài)。

圖1 用于數(shù)據(jù)備份的超級電容器能量存儲系統(tǒng)

后備電源應(yīng)用

有效的后備電源系統(tǒng)包括一個超級電容器組，該超級電容器組具有支持一次完整的數(shù)據(jù)傳輸所需的蓄電容量。一個DC/DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)獲取超級電容器組的輸出，并向數(shù)據(jù)恢復(fù)電子線路提供一個恒定電壓。數(shù)據(jù)傳輸必須在超級電容器組兩端的電壓下降至DC/DC轉(zhuǎn)換器的最小輸入工作電壓(VUV)之前完成。

為了估算超級電容器組的最小電容，必需確定有效電路電阻(RT)。RT是超級電容器的ESR、分配損失(RDIST)與自動通道切換的MOSFET的 RDS(ON)之和：

RT=ESR+RDIST+RDS(ON)

在VUV條件下，當(dāng)允許10%的輸入功率損失于RT之中時，可以確定RT(MAX)：

在VUV條件下，超級電容器組兩端上所需的電壓(VC(UV)) 為：

現(xiàn)在，可以根據(jù)將數(shù)據(jù)傳輸至閃存所需的備份時間(tBU) 、超級電容器組的初始電壓 VC(O) 和 VC(UV)來計算最小電容 (CMIN) 要求：

CMIN為一個超級電容器電容的1/2。在計算RT的表達(dá)式中所使用的ESR是壽命末期ESR的兩倍。壽命末期被定義為當(dāng)電容降至其初始值的70%或ESR倍增之時。

LTC3625產(chǎn)品手冊中的“匹配超級電容器的充電曲線”圖描繪了采用LTC3625將一個含有兩個10F超級電容器的超級電容器組充電至5.3V(RPROG被設(shè)定為143k) 的兩種配置之充電曲線。將這幅曲線圖與下面的公式相結(jié)合，用于確定所需的RPROG值，以產(chǎn)生適合目標(biāo)應(yīng)用中所使用的實(shí)際超級電容器的期望充電時間：

VC(UV)是使DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生所需輸出的超級電容器最小電壓。VOUT是目標(biāo)應(yīng)用中LTC3625的輸出電壓(由VSEL引腳設(shè)定)。tESTIMATE是從VC(UV)充電至5.3V所需的時間(可從充電曲線來推知)。tESTIMATE是目標(biāo)應(yīng)用中期望的再充電時間。

設(shè)計實(shí)例

例如：假設(shè)在DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入功率為20W的情況下將數(shù)據(jù)存儲至閃存需要45秒，而DC/DC轉(zhuǎn)換器的VUV為2.7V。所需的tESTIMATE為10分鐘。超級電容器組的滿充電電壓被設(shè)定為4.8V——這在延長超級電容器的壽命與盡可能利用其蓄電容量之間實(shí)現(xiàn)了良好的折衷。對RT的組成部分進(jìn)行了估算：RDIST=10mΩ、ESR=20mΩ和RDS(ON)=10mΩ。

對于該設(shè)計階段而言，最終得到的估算值RT(MAX)=36mΩ與RT=40mΩ足夠接近。VC(UV)的估算值為3V。CMIN為128F。兩個360F電容器提供了一個126F的壽命末期電容和6.4mΩ的ESR。通道切換由LTC4412和兩個P溝道MOSFET組成。柵極電壓為2.5V，RDS(ON)為10.75mΩ (最大值)。26.15mΩ的RT完全在RT(MAX)的范圍之內(nèi)。RPROG的估算值為79.3k。與之最接近的1%精度標(biāo)準(zhǔn)電阻器為78.7k。產(chǎn)品手冊建議的降壓和升壓電感器的數(shù)值均為3.3μH。

LTC3625包含一個電源故障比較器，該比較器用于監(jiān)視啟用LTC4412的輸入電源。一個連接至PFI引腳的分壓器負(fù)責(zé)將電源故障觸發(fā)點(diǎn)(VPF)設(shè)定為4.75V。

圖2示出了一個具有20W負(fù)載的系統(tǒng)之實(shí)際備份時間。期望的備份時間為45秒，而該系統(tǒng)提供的備份時間為76.6 秒。造成這種差異的原因是RT低于估算值以及實(shí)際的VUV為2.44V。如圖3所示，實(shí)際的再充電時間為685秒，而計算中所采用的再充電時間為600秒，該差異源于實(shí)際的VUV較低。

圖2 支持一個20W負(fù)載的超級電容器備份時間

圖3 備份之后的再充電時間

結(jié)論

超級電容器正在逐步取代電池，以滿足針對數(shù)據(jù)中心的綠色環(huán)保計劃強(qiáng)制要求。LTC3625是一款具自動電量平衡功能的高效率1A超級電容充電器，可與LTC4412低損耗PowerPath控制器相組合，以造就一款用于在存儲應(yīng)用中保護(hù)數(shù)據(jù)的后備電源系統(tǒng)。