ADI产品助力分布式超级电容备份电源方案

摘要

本文对ADI在超级电容备份电源的应用进行了简要总结与归纳，同时给出了部分解决方案及测试结果，并提供了部分实物设计图，适合研发人员进行相关设计时参考。

正文

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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

6. 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。

7. 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：

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

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

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

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，请与骏龙科技当地的办事处联系，或发送邮件至inquiry.cytech@macnica.com，骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。

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