适用于具有 5V 至 36V 输入的 12V 系统的基于电解电容器的数据备份电源解决方案

数据丢失是电信、工业和汽车应用中的一个问题，在这些应用中，嵌入式系统依赖于稳定的电源供应。在硬盘驱动器和闪存的读写操作期间，突然断电可能会损坏数据。通常，嵌入式系统只需要 10 毫秒到 50 毫秒的时间来备份易失性数据以防止丢失。

数据备份在嵌入式系统中用于维护、故障排除和修复工作。在复杂的工业金属加工设备中，重要的是在断电后存储多个刀具的位置和状态，以防止稍后恢复供电时设备出现故障。这些应用需要稳定的电源和数据保存，但不可靠的电源使其难以实现。长电源线、放电电池、未调节的 AC 适配器、负载突降和切换大功率电动机会导致输入电源容易出错。因此，嵌入式系统的开发人员更愿意使用尽可能宽的输入电压范围进行设计，以便在各种应用和环境中使用。

电路说明

图 1 显示了一个为数据备份提供可靠主电源和保持电源的系统。该解决方案以 LTC3643 双向备用电源为中心。当存在输入电压时，LTC3643 在升压模式下将存储电容器 C STORAGE充电至高达 40V。当输入电压中断时，LTC3643 以降压模式将存储电容器放电至负载，从而将负载处的标称电压 (V SYS ) 保持在 3V 至 17V 的范围内。

备用存储轨的相对较高电压增加了该解决方案的存储能量 (E = CV 2 /2)，并允许使用电解电容器作为备用存储组件。电解电容器价格低廉且应用广泛，可显着降低备用解决方案的成本。LTC3643 的另一个优势是它能够支持 12V 系统，这是许多汽车和工业应用中的默认标准电压轨。

图 1. LTC3643 后备电源

在图 1 中，LTM4607 μModule 降压-升压转换器充当前端稳压器，从 5V 至 36V 输入（例如汽车电池）产生 12V 和高达 5A 的电流。只要输入电压保持在指定范围内，降压-升压稳压器就会保持稳定的 12V 输出，从而使 V SYS 能够安然度过掉电和过压条件，例如汽车冷启动和负载突降。当输入电压中断或超出该范围时，基于 LTC3643 的备用电源解决方案可维持 V SYS 系统电压，以实现短期数据备份。

电路功能

在正常操作中，当 P 沟道 MOSFET Q1 导通时，标志 PFO 为低电平，电解电容器阵列 C STORAGE 被充电至 40V。当输入电压中断时，LTC3643 关断 Q1，将标志 PFO 设置为高电平并开始对 C STORAGE电容器阵列放电 ，从而维持 12V 至负载。当 Q1 处于关断状态时，该晶体管的体二极管有效地将负载与输入线隔离开来。PFO 标志标识故障并向主机发出信号以断开非关键负载和电源电路。这里假设与数据保留相关的关键电路消耗 1A 电流长达 100ms。

图 2. 切换波形，V SYS = 负载电压，V IN = 输入电压，PFO = 标志状态，V CAP = C存储 电压（V SYS 和 V IN = 5V/div，V CAP = 10V/div，PFO 1V/分区）

图 2 说明了整个切换过程。开始时，系统负载由 LTM4607 供电，因为存在输入电压。当输入电压中断时，LTC3643 通过对存储电容器放电来支持系统负载。图 3 更详细地显示了切换的时序。负载电压下降至 10V，该值由电阻分压器 R PT /R PB设置 ，然后恢复至标称 12V，由电阻分压器 R ST /R SB设置。

图 3. 开关波形的详细视图（PFO 1V/div，V SYS 2V/div）

用于估算所需存储电容和保持时间的公式如下。如果需要更详细的分析，可以在供应商的文档中找到必要的信息。

结论

LTC3643 是一款高度集成的高性能后备稳压器。本设计说明中所示的设计将此 IC 的优势与高效降压-升压 LTM4607 μModule 稳压器相结合。这些设备一起为汽车和工业应用中的数据保留和备份提供了占地面积小、高效且具有成本效益的解决方案。