基于超級(jí)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(duì)惡劣環(huán)境時(shí)保存數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)。電源故障就是一個(gè)例子，它會(huì)威脅到臨時(shí)存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)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(chǔ)器的短時(shí)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(shí)間)、再加上超級(jí)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(zhǎng)、性能更高和“環(huán)保性更佳”的超級(jí)電容器來(lái)替代這些系統(tǒng)中的電池。圖1示出了一款基于超級(jí)電容器的后備電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了LTC3625超級(jí)電容充電器、一個(gè)使用LTC4412 PowerPath控制器的自動(dòng)電源通道切換和一個(gè)LTM4616雙路輸出μModule DC/DC轉(zhuǎn)換器。LTC3625是一款高效率超級(jí)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(gè)高達(dá)1A的可編程平均充電電流、兩個(gè)串接超級(jí)電容器的自動(dòng)電量電壓平衡功能和一種從超級(jí)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(jí)電容器能量存儲(chǔ)系統(tǒng)

后備電源應(yīng)用

有效的后備電源系統(tǒng)包括一個(gè)超級(jí)電容器組，該超級(jí)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(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)獲取超級(jí)電容器組的輸出，并向數(shù)據(jù)恢復(fù)電子線路提供一個(gè)恒定電壓。數(shù)據(jù)傳輸必須在超級(jí)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(jí)電容器組的最小電容，必需確定有效電路電阻(RT)。RT是超級(jí)電容器的ESR、分配損失(RDIST)與自動(dòng)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(shí)，可以確定RT(MAX)：

在VUV條件下，超級(jí)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(shí)間(tBU) 、超級(jí)電容器組的初始電壓 VC(O) 和 VC(UV)來(lái)計(jì)算最小電容 (CMIN) 要求：

CMIN為一個(gè)超級(jí)電容器電容的1/2。在計(jì)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(shí)。

LTC3625產(chǎn)品手冊(cè)中的“匹配超級(jí)電容器的充電曲線”圖描繪了采用LTC3625將一個(gè)含有兩個(gè)10F超級(jí)電容器的超級(jí)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(jí)電容器的期望充電時(shí)間：

VC(UV)是使DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生所需輸出的超級(jí)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(shí)間(可從充電曲線來(lái)推知)。tESTIMATE是目標(biāo)應(yīng)用中期望的再充電時(shí)間。

設(shè)計(jì)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(chǔ)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(jí)電容器組的滿充電電壓被設(shè)定為4.8V——這在延長(zhǎng)超級(jí)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(duì)RT的組成部分進(jìn)行了估算：RDIST=10mΩ、ESR=20mΩ和RDS(ON)=10mΩ。

對(duì)于該設(shè)計(jì)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(gè)360F電容器提供了一個(gè)126F的壽命末期電容和6.4mΩ的ESR。通道切換由LTC4412和兩個(gè)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(cè)建議的降壓和升壓電感器的數(shù)值均為3.3μH。

LTC3625包含一個(gè)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(gè)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(gè)具有20W負(fù)載的系統(tǒng)之實(shí)際備份時(shí)間。期望的備份時(shí)間為45秒，而該系統(tǒng)提供的備份時(shí)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(shí)間為685秒，而計(jì)算中所采用的再充電時(shí)間為600秒，該差異源于實(shí)際的VUV較低。

圖2 支持一個(gè)20W負(fù)載的超級(jí)電容器備份時(shí)間

圖3 備份之后的再充電時(shí)間

結(jié)論

超級(jí)電容器正在逐步取代電池，以滿足針對(duì)數(shù)據(jù)中心的綠色環(huán)保計(jì)劃強(qiáng)制要求。LTC3625是一款具自動(dòng)電量平衡功能的高效率1A超級(jí)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(chǔ)應(yīng)用中保護(hù)數(shù)據(jù)的后備電源系統(tǒng)。