ADI 产品助力分布式超级电容备份电源方案

作者
Cater Huang
文章來源
Cytech Engineer

ADI 产品助力分布式超级电容备份电源方案

超级电容因其高功率密度、快速充放电和长寿命等特性,在多个行业中作为备份电源得到广泛应用。例如在公共交通工具的启动和制动、轨道交通的能量回收及电源备份、通讯及电力设备电源备份等。本文使用 ADI 器件设计了相关的超级电容充电和升压切换模组,对相关设计中的部分问题进行探讨,最后对模块进行测试,并提供了实物图、测试波形等进行参考。

24V 及以下超级电容备份系统典型框图

下图 (图1) 为 24V 及以下超级电容备份系统设计框图:  

图1 设计框图
图1 设计框图

输入电源

输入电源 (如适配器或外部电源) 为系统提供能量,同时正常工况时可以给超级电容进行充电。

充电模块

典型系统采用降压充电电路,将输入电压降至适合超级电容的充电电压,并按照配置好的充电模式对超级电容组进行充电,器件一般带恒流充电或者输入功率限制等功能。

超级电容组

超级电容,用于存储能量,典型的单体超级电容电压有 2.7V、3.0V 等,需要根据实际应用的需求进行串并联组合。

均衡电路

确保每个单体超级电容单元的电压均衡,防止过压或欠压,一般电路为带基准的比较器器件、功率 MOS 管、功率电阻,或者3者功能集成的器件,当单体电容电压超过阈值时,通过 MOS 和外部功率电阻进行放电。

升压模块

一般为升压转换器,将超级电容的电压提升至负载所需的工作电压,推荐使用带过流保护功能的宽输入范围同步升压器件,以最大程度的利用电容能量。

切换控制模块

切换电路,在输入电源和超级电容之间升压电路之间切换,确保负载在不同情况下获得稳定的电源供应,需要根据输入电源的状态和负载需求,控制切换电路的运作。

模块整体电压监测及过流检测、模组快速放电电路等

这些属于整体的功能安全电路,由于超级电容的容量大,需要考虑整体模组的放电及故障关断及监控等。

分立方案 ADI 器件推荐

下表为各功能模块下推荐的 ADI 器件以及它们的功能:

功能模块 推荐 ADI 器件 特点
降压输入 LTM8026、LT3796、LTC3630、LTC3625、LTC3127 支持 CVCC 或者输入电流限制、输入电流均值限制等功能,可以设置输入功率,充电时不影响整个供电系统
电压均衡 MAX6378、MAX6379、
MAX6380
多种电压可选、方案简单、0.5uA 超低供电电流
升压放电 LTC7804、LT8337、
LT3759
高效率、小尺寸、方案集成度高
切换电路 LTC4421、LTC4418、
LTC4228、LTC4416
双通道、支持背靠背双 MOS 快速驱动、快速切换、精确的电压阈值监测
电流电压监测 MAX4210、MAX4211 宽输入范围、电流电压监测、小尺寸

 

根据相关的器件和设计思路,我们设计了如下的实际电路并进行了一些简单的测试。下图 (图2)、(图3) 分别为电路模块的正、反面。

图2 模块正面
图2 模块正面
图3 模块背面
图3 模块背面

模块简要测试

如下图 (图4) 所示,通道 1 是负载供电电压,通道 2 是正常供电电压 Vin, 通道 3 是超级电容充满后升压器件的输出电压。当通道 2 发生故障或者电压跌落,模块切换到通道 3 输出,切换过程基本没有波动。

图4 通道 2 发生故障时的模块切换备用电源状态
图4 通道 2 发生故障时的模块切换备用电源状态

从下图 (图5) 中看到,当通道 2 正常供电电压恢复正常,整个模块在 400uS 内完成了电源从通道 3 超级电容供电到通道 2 正常供电的切换。

图5 模块切换回正常供电状态
图5 模块切换回正常供电状态

ADI 集成器件介绍

ADI 目前推出了很多集成充电、升压及功率路径切换的器件方案,如MAX38890、LTC3350、LTC3351、LTC3355等,下图 (图6) 展示了 LTC3350 的推荐设计模块。这些器件针对不同电压等级、不同数量及容量的超级电容等,具有更高集成度的优势,设计时可灵活选用。

图6 LTC3350 的推荐设计模块
图6 LTC3350 的推荐设计模块

总结

ADI 针对超级电容作为备用电源的设计方案,提供了多种解决方案。在实际设计中,我们要在体积、可靠性、功能、效率、散热等方面综合考虑。ADI 与骏龙科技愿意帮助客户在相关产品设计中寻找合适的方案,使产品在众多要求中达到一个合理的平衡。如需对接具体产品或了解更多技术细节,请点击下方“联系我们”,提交您的需求,我们骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。

 

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