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(chǎng)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(shí)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(shí)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(yùn)行。換一種說法就是，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)的，還是持續(xù)幾秒，甚至幾分鐘。應(yīng)對(duì)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(jī)，從而確保系統(tǒng)以高可靠性連續(xù)運(yùn)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(shí)，安全系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備都能夠保持不間斷運(yùn)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?yàn)榭煽啃允侵翞橹匾?，所以手持式設(shè)備都經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)，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(xì)地設(shè)計(jì)，都不可能防止這類設(shè)備在人們使用時(shí)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(huì)怎么樣? 電池會(huì)掉出來嗎? 這類事件從電子設(shè)計(jì)上是不可預(yù)測(cè)的，如果沒有某種形式的安全保障，存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)器中的重要數(shù)據(jù)就會(huì)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(chǔ)充足的能量，以在更換電池或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)永久性存儲(chǔ)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(yùn)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(jìn)入、安防系統(tǒng)、個(gè)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(shí)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(shí)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(gè)系列的車型中推出了該功能。這是一種相當(dāng)簡(jiǎn)單的技術(shù)：在發(fā)生碰撞后，汽車的氣囊展開時(shí)，eCall系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)系應(yīng)急服務(wù)機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)用 GPS 功能向有關(guān)當(dāng)局發(fā)送時(shí)間、車輛所處地點(diǎn)、車輛的類型、車輛使用什么燃料等信息，同時(shí)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(shí)車輛行駛方向的信息，從而在車輛發(fā)生碰撞時(shí)，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(hù)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(gè)人也可以通過一個(gè)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(qǐng)求幫助。

2 存儲(chǔ)介質(zhì)

　　承認(rèn)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(chǔ)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(jì)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(jìn)行了大量研發(fā)，已經(jīng)在電容器設(shè)計(jì)和功能方面取得了巨大進(jìn)步。這些新型電容器稱為超級(jí)電容器，非常適合用在電池能量存儲(chǔ)和備份電源系統(tǒng)中。就存儲(chǔ)的總能量而言，超級(jí)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(jí)電容器能夠快速大量地釋放能量，并快速再充電。

　　超級(jí)電容器還具備緊湊、堅(jiān)固和可靠的特點(diǎn)，可針對(duì)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(jí)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(jí)電容器不僅是一種具很大電容的電容器。與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比，超級(jí)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(jí)電容器需要在某種程度上“細(xì)心對(duì)待和饋電”，但是它們?cè)谛枰箅娏?短持續(xù)時(shí)間備份電源的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中，增強(qiáng)甚至取代了電池。

　　此外，超級(jí)電容器也用在各種需要諸如 UPS 等大電流突發(fā)或瞬時(shí)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(jí)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(jí)電容器的壽命。

　　另一方面，電池可以存儲(chǔ)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(shí)間內(nèi)提供適量功率時(shí)，電池是最有效的，因?yàn)閺碾姵匚『芏喟才嗟碾娏鲿?huì)非?？焖偾覈?yán)重地限制其可用工作壽命。表 1 總結(jié)了超級(jí)電容器、電容器和電池之間相比較的優(yōu)缺點(diǎn)。

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(jí)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?fù)碛袕V泛的、專為滿足這類應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)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(shí)保持有效的 3.5V 至 5V 電源軌。電池比超級(jí)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(shí)間的應(yīng)用。LTC4040 用一個(gè)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(shí)，該器件作為降壓型電池充電器運(yùn)行，面向單節(jié)鋰離子或LiFePO4電池，同時(shí)優(yōu)先為系統(tǒng)負(fù)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(shí)，LTC4040 作為升壓型穩(wěn)壓器運(yùn)行，能夠從備份電池向系統(tǒng)輸出提供高達(dá) 2.5A 電流。在電源發(fā)生故障時(shí)，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(shí)現(xiàn)無縫切換。LTC4040 的典型應(yīng)用包括車隊(duì)和資產(chǎn)跟蹤、汽車 GPS 數(shù)據(jù)記錄儀、汽車遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)、收費(fèi)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(hù) (OVP) 功能，通過一個(gè)外部 FET 針對(duì)高于 60V 的輸入電壓保護(hù)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(shí)優(yōu)先于電池充電電流提供系統(tǒng)負(fù)載電流。一個(gè)外部斷接開關(guān)在備份電源工作時(shí)隔離主輸入電源和系統(tǒng)。LTC4040 的 2.5A 電池充電器提供 8 個(gè)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(gè)輸入電源缺失指示器和一個(gè)系統(tǒng)電源缺失指示器。

4 結(jié)論

　　無論何時(shí)，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(jì)要求，那么使用備份電源就總是一個(gè)好主意。幸運(yùn)的是，有很多 IC 選擇，就像 LTC4040 一樣，無論存儲(chǔ)介質(zhì)是超級(jí)電容器、電解質(zhì)電容器還是電池，都可以簡(jiǎn)便地用來實(shí)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(gè)良好的備份電源計(jì)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(shí)引用，并注明出處。