用于 3.3V 電壓軌的簡(jiǎn)單備份電源

在嵌入式系統(tǒng)需要可靠供電的電信、工業(yè)和汽車應(yīng)用中，數(shù)據(jù)丟失是一個(gè)關(guān)切的問題。供電的突然中斷會(huì)在硬盤和閃存器執(zhí)行讀寫操作時(shí)損壞數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)師常常使用電池、電容器和超級(jí)電容器來存儲(chǔ)足夠的能量，以在供電中斷期間為關(guān)鍵的負(fù)載提供短期電源支持。

LTC®3643 備份電源使設(shè)計(jì)師能夠采用一種相對(duì)便宜的儲(chǔ)能元件：低成本電解電容器。在這里提及的備份電源或保持電源中，當(dāng)電源存在時(shí)，LTC3643 把存儲(chǔ)電容器充電至 40V，而當(dāng)電源中斷時(shí)，LTC3643 則把該存儲(chǔ)電容器的電能釋放給關(guān)鍵的負(fù)載。負(fù)載 (輸出) 電壓可設(shè)置為介于 3V 和 17V 之間的任何電壓。

LTC3643 可容易地適用于 5V 和 12V 電壓軌的備份解決方案，但是 3.3V 電壓軌解決方案則需要格外謹(jǐn)慎。LTC3643 的最小工作電壓為 3V，比較接近于 3.3V 的標(biāo)稱輸入電壓電平。如圖 1a 所示，當(dāng)采用一個(gè)隔離二極管以使備份電壓電源與非關(guān)鍵的電路分離時(shí)，這種余量就太嚴(yán)緊了。如果 D1 是一個(gè)肖特基二極管，其正向壓降 (作為負(fù)載電流和溫度之函數(shù)) 會(huì)達(dá)到 0.4V 至 0.5V，足以把 LTC3643 VIN 引腳上的電壓置于 3V 最小值以下。因此，備份電源電路可能無法啟動(dòng)。

一種可行的解決方案是把二極管移動(dòng)到供電 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入端 (D2)，如圖 1b 所示。遺憾的是，在此情形下，連接至上游 DC/DC 電源的非關(guān)鍵負(fù)載會(huì)從備份電源吸取功率，因而留給關(guān)鍵負(fù)載的電能較少。

3.3V 備份電源運(yùn)作

圖 2 示出了一款用于產(chǎn)生 3.3V 備份電源的解決方案，其采用一個(gè)隔離 MOSFET 為關(guān)鍵的負(fù)載儲(chǔ)備能量。圖 1 所示的隔離二極管被一個(gè)低柵極門限電壓 P 溝道功率 MOSFET (Q1) 所取代。

在 3.3V 環(huán)境中運(yùn)作備份電源的關(guān)鍵是增設(shè) RA-CA 串聯(lián)電路。在啟動(dòng)時(shí)，隨著輸入電壓的上升，流過電容器 CA 的電流取決于公式 IC = C·(dV/dt)。該電流在 RA 的兩端產(chǎn)生一個(gè)電位，此電位足以強(qiáng)化一個(gè)低柵極門限電壓小信號(hào) N 溝道 MOSFET (Q2)。當(dāng) Q2 接通時(shí)，它把 Q1 的柵極拉至地電位，在輸入電壓和 LTC3643 電源引腳 VIN 之間提供了一條極低電阻的通路。一旦 3.3V 被施加至轉(zhuǎn)換器，則其隨即啟動(dòng)，下拉 Q1 的柵極和 PFO 引腳電平，而且它開始給存儲(chǔ)電容器充電。

當(dāng) 3.3V 電壓軌達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，IC 電流減小至某一點(diǎn)，在該點(diǎn)上 RA 兩端的電壓下降到低于 Q2 柵極門限電平且 Q2 關(guān)斷，因而不再影響備份電源轉(zhuǎn)換器的功能。另外，PFO 引腳將 R3A 接地，從而把 PFI 引腳電源故障電壓電平復(fù)位至最小值 3V，以確保轉(zhuǎn)換器在輸入電壓電源斷接時(shí)保持正常運(yùn)行。

電路功能

圖 3 中的波形示出了 3.3V 電壓軌啟動(dòng)時(shí)的結(jié)果。當(dāng)輸入電壓上升時(shí)，Q2 的柵極電壓也升高，因而把 Q1 的柵極拉至低電平。Q1 處于強(qiáng)化狀態(tài)，允許完整的 3.3V 電壓到達(dá) LTC3643，將 Q1 體二極管旁路。最后，Q2 的柵極電壓降至低于門限電平且 Q2 關(guān)斷，到這個(gè)時(shí)候 LTC3643 是全面運(yùn)行的，并控制著 Q1 的柵極。

LTC3643 的多功能性在這里展現(xiàn)出來：特別是它能夠限制用于給存儲(chǔ)電容器充電之升壓型轉(zhuǎn)換器的充電電流。在必須盡量減小總電流的場(chǎng)合中，例如：當(dāng)存在長(zhǎng)導(dǎo)線或高阻抗電壓電源時(shí)，可把升壓電流設(shè)定在較低的水平，以最大限度減輕充電電流對(duì)輸入電壓降的影響。這一點(diǎn)對(duì)于 3.3V 電壓軌是尤其重要。在圖 2 中，0.05Ω 電阻器 RS 為升壓型轉(zhuǎn)換器充電電流設(shè)定了一個(gè) 0.5A (10.5A 負(fù)載) 的限值 (最大可能設(shè)定限值為 2A);其余的電流則輸送至負(fù)載。

圖 4 示出了失去 3.3V 電壓軌時(shí)的波形。當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，Q2 的柵極電壓保持不變 (接近于地電位)，而且 Q2 處于關(guān)斷狀態(tài)。與此相反，Q1 的柵極電壓則急劇上升至 3.3V。這把 Q1 關(guān)斷，由 Q1 的體二極管起隔離二極管的作用，從而使負(fù)載與輸入分離。此時(shí)備份電源接管供電，LTC3643 通過釋放存儲(chǔ)電容器的電能以給關(guān)鍵的負(fù)載提供3.3V。

結(jié)論

本文介紹的電路使 LTC3643 可用作一款針對(duì) 3.3V 電壓軌的備份電源解決方案。LTC3643 通過采用低成本電解電容器作為儲(chǔ)能元件簡(jiǎn)化了備份電源。