這款低成本電解電容器，簡化備份電源不是問題~

原創亞德諾半導體 2021-06-06 10:52

找芯片數據手冊、參考設計和開發工具？ 進階BLE開發：DA1459x 外設、功耗與工程實戰

在嵌入式系統需要可靠供電的電信、工業和汽車應用中，數據丟失是個問題。供電的突然中斷會在硬盤驅動器和閃存執行讀寫操作時損壞數據。設計人員常常使用電池、電容器和超級電容器來存儲足夠的能量，以在供電中斷期間為關鍵的負載提供短期電源支持。

LTC3643 備份電源使得設計人員能夠采用一種相對便宜的儲能元件：低成本電解電容器。在這里提及的備份電源或保持電源中，當電源存在時，LTC3643 把一個存儲電容器充電至 40 V，而當電源中斷時，LTC3643 則把該存儲電容器的電能釋放給關鍵負載。負載 (輸出) 電壓可變成為 3 V 和 17 V 之間的任何電壓。

LTC3643 可輕松用于 5 V 和 12 V 電壓軌的備份解決方案，但是 3.3 V 電壓軌解決方案則需要格外謹慎。LTC3643 的最小工作電壓為 3 V，比較接近于 3.3 V 的標稱輸入電壓電平。如圖 1a 所示，當采用一個隔離二極管將備份電壓電源與非關鍵的電路分離時，這種余量就太緊了。如果 D1 是一個肖特基二極管，其正向壓降 (作為負載電流和溫度的函數) 會達到 0.4 V 至 0.5 V，足以把 LTC3643 VIN 引腳上的電壓置于 3 V 最小值以下。因此，備份電源電路可能無法啟動。

圖 1. (a) 和 (b)。隔離二極管在備份系統原理圖中的位置。

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

3.3 V 備份電源運行

圖 2 示出了一款用于產生 3.3 V 備份電源的解決方案，其采用一個隔離 MOSFET 為關鍵負載儲備能量。圖 1 所示的隔離二極管被一個低柵極閾值電壓功率 P 溝道 MOSFET Q1 所取代。

圖 2. 用于 3.3 V 電壓軌的 LTC3643 解決方案的增強型原理圖。

在 3.3 V 環境中運行備份電源的關鍵是增設 RA-CA 串聯電路。啟動時，隨著輸入電壓上升，流過電容器 CA 的電流取決于公式 ICA = C × (dV/dt)。該電流在 RA 的兩端產生一個電位，此電位足以強化一個低柵極閾值電壓小信號 N 溝道 MOSFET Q2。當 Q2 接通時，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 3.3 V 被施加至轉換器，轉換器立即啟動，下拉 Q1 的柵極和 PFO 引腳電平，并開始給存儲電容器充電。

當 3.3 V 電壓軌達到穩態時，ICA 電流減小至某一點，在該點上 RA 兩端的電壓下降到低于 Q2 柵極閾值電平且 Q2 關斷，因而不再影響備份轉換器的功能。另外，PFO 引腳將 R3A 接地，從而把 PFI 引腳電源故障電壓電平復位至最小值 3 V，以確保轉換器在輸入電壓電源斷接時保持正常運行。

電路功能

圖 3 中的波形示出了 3.3 V 電壓軌啟動時的結果。當輸入電壓上升時，Q2 的柵極電壓也升高，因而把 Q1 的柵極拉至低電平。Q1 處于強化狀態，允許完整的 3.3 V 電壓到達 LTC3643，將 Q1 體二極管旁路。最后，Q2 的柵極電壓降至閾值電平以下且 Q2 關斷，此時 LTC3643 全面運行并控制著 Q1 的柵極。

圖 3. 上電時 3.3 V 電壓軌的波形

LTC3643 的多功能性在這里展現出來：特別是它能夠限制用于給存儲電容器充電的升壓型轉換器的充電電流。在必須盡量減小總電流的場合中，例如：當存在長導線或高阻抗電壓電源時，可把升壓電流設定在較低的水平，以最大限度減輕充電電流對輸入壓降的影響。這點對 3.3 V 電壓軌尤為重要。在圖 2 中， 0.05 Ω 電阻器 RS 為升壓型轉換器充電電流設定了一個 0.5 A (10.5 A 負載) 的限值 (最大可能設定限值為 2 A)；其余的電流則輸送至負載。

圖 4 示出了失去 3.3 V 電壓軌時的波形。當輸入電壓下降時， Q2 的柵極電壓保持不變 (接近于地電位)，且 Q2 處于關斷狀態。與此相反，Q1 的柵極電壓則急劇上升至 3.3 V。這把 Q1 關斷，由 Q1 的體二極管發揮隔離二極管的作用，從而使負載與輸入分離。此時備份電源接管供電，LTC3643 通過釋放存儲電容器的電能以給關鍵負載提供 3.3 V。