在手持式設(shè)備掉電時保護(hù)易失性數(shù)據(jù)的電源后備解決方案

引言

手持式電子設(shè)備在我們的日常生活中起著重要的作用。由于可靠性是最重要，因此手持式設(shè)備采取了謹(jǐn)慎的工程設(shè)計(jì)，并采用了輕量型電源，以在正常條件下確?？煽康氖褂?。但是，不管多少謹(jǐn)慎的工程設(shè)計(jì)都無法避免他們在用戶手中遭遇"粗暴對待".例如：當(dāng)工廠里的工人失手跌落一個條形碼掃描儀而導(dǎo)致電池跳出時，會發(fā)生什么？ 此類事件用電子學(xué)的方法是不能預(yù)知的，而且在未提供某種形式的"安全網(wǎng)"（一種存儲了充足能量的短期電源保持系統(tǒng)，用于提供備用電源，直到可以更換電池或者能將數(shù)據(jù)存儲到永久性存儲器中為止） 之情況下，保存在易失性存儲器中的重要數(shù)據(jù)將會丟失。

超級電容器具有緊湊、堅(jiān)固和可靠的特點(diǎn)，并能支持用于應(yīng)對短期掉電過程中后備系統(tǒng)的電源要求。與電池相似，它們也需要在輸出端進(jìn)行謹(jǐn)慎的充電和功率調(diào)節(jié)。LTC3226是一款具有一個電源通路（PowerPath） 控制器的兩節(jié)串聯(lián)超級電容器充電器，可簡化后備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。特別地，該器件包含一個具可編程輸出電壓和自動電池電壓平衡功能的充電泵超級電容器充電器、一個低壓差穩(wěn)壓器和一個用于實(shí)現(xiàn)正常模式與后備模式之間切換的電源故障比較器。低輸入噪聲、低靜態(tài)電流和緊湊的占板面積使LTC3226成為緊湊、手持和電池供電型應(yīng)用的理想選擇。這款器件采用3mm x 3mm 16引腳QFN封裝。

后備電源應(yīng)用

圖1示出了一款采用超級電容器組的電源保持系統(tǒng)，該電容器組在沒有電池電源的情況下提供持續(xù)約45s的165mW待機(jī)功率的容量。一個LDO負(fù)責(zé)在后備模式期間將超級電容器組的輸出轉(zhuǎn)換為一個恒定電壓電源。

圖1:采用超級電容器的典型電源后備系統(tǒng)

采用LTC3226可以輕松設(shè)計(jì)電源后備系統(tǒng)。例如：取一個在采用單節(jié)鋰離子電池供電時具有150mA工作電流和50mA待機(jī)電流（ISB）的器件。為確保接入一個已充電電池，電源故障比較器（PFI）的高電平觸發(fā)點(diǎn)設(shè)定為3.6V.當(dāng)電池電壓達(dá)到3.15V時，器件進(jìn)入待機(jī)模式；而當(dāng)電池電壓為 3.10V （VBAT （MIN）） 時，則器件進(jìn)入后備模式，并將保持電源的時間周期 （tHU） 初始設(shè)置為大約45s.

待機(jī)模式觸發(fā)電平受控于一個外部比較器電路，而后備模式觸發(fā)電平則受控于PFI比較器。當(dāng)處于后備模式時，必須禁止器件進(jìn)入全面運(yùn)行模式，以避免造成超級電容器過快地放電。

設(shè)計(jì)從設(shè)定PFI觸發(fā)電平開始。R2被設(shè)定為121k,R1的阻值應(yīng)把PFI引腳上的PFI觸發(fā)電平（VPFI）設(shè)定至1.2V,其計(jì)算公式如下：

據(jù)此將R1設(shè)定為191k.

VIN引腳上的遲滯必需延長以滿足3.6V的觸發(fā)電平。這可以通過在PFI引腳和PFO引腳之間增設(shè)一個電阻器與二極管的串聯(lián)組合來實(shí)現(xiàn)。VIN（HYS）為

0.5V,VPFI（HYS）為20mV,而Vf為0.4V。

R8設(shè)定為348k.

通過將R7設(shè)定為80.6k,并計(jì)算R6阻值，把LDO后備模式輸出電壓設(shè)定為3.3V.VLDO （FB）為 0.8V。

將R6設(shè)定為255k.

串聯(lián)連接的超級電容器上的滿充電電壓被設(shè)定為5V.這是利用位于CPO引腳與CPO_FB引腳之間的一個分壓器網(wǎng)絡(luò)完成的。R5設(shè)定為1.21M,并計(jì)算R4阻值。VCPO （FB）為 1.21V.

設(shè)定R4 = 3.83M.

在后備模式中，當(dāng)超級電容器組上的電壓開始接近VOUT時，在計(jì)算tHU結(jié)束時超級電容器上的最小電壓必須將兩個超級電容器的ESR和LDO的輸出電阻考慮在內(nèi)。假設(shè)每個超級電容器的ESR為100mΩ，而LDO輸出電阻為200mΩ，這將由于50mA待機(jī)電流的原因而使VOUT （MIN）增加20mV.VOUT （MIN）設(shè)定為3.1V,從而在超級電容器組上產(chǎn)生一個1.88V的放電電壓 （ΔVSCAP）?，F(xiàn)在，可以確定每個超級電容器的大小。

每個超級電容器均選擇為一個由Nesscap公司提供的3F/2.7V電容器 （ESHSR-0003C0-002R7）。

圖2示出了在具有一個50mA負(fù)載時系統(tǒng)的實(shí)際后備時間。由于在實(shí)際電路中使用了較大的3F電容器，因此后備時間為55.4s.

圖2:支持50mA負(fù)載的后備時間

結(jié)論

高性能手持式設(shè)備需要能夠?yàn)樵O(shè)備提供足夠長時間供電的電源后備系統(tǒng)，以在電池突然被拿掉時可安全地保存易失性數(shù)據(jù)。超級電容器可在此類系統(tǒng)中充當(dāng)緊湊和可靠的電源，但是它們需要用于充電及輸出電壓調(diào)節(jié)的專用控制系統(tǒng)。LTC3226通過把一個兩節(jié)超級電容器充電器、PowerPath控制器、一個LDO穩(wěn)壓器和一個電源故障比較器全部集成在單個3mm x 3mm 16引腳QFN封裝之中，使得能夠輕而易舉地構(gòu)建一款完整的電源后備解決方案。