RAID 系統(tǒng)就其本質(zhì)而言，旨在在面對不利環(huán)境時保存數(shù)據(jù)。其中一種情況（電源故障）不會直接威脅存儲在磁盤上的數(shù)據(jù)，但會損害傳輸中的數(shù)據(jù)或臨時存儲在易失性內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。為了保護易失性數(shù)據(jù)，許多系統(tǒng)都集成了基于電池的備用電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供短期電源，足以讓RAID控制器將易失性數(shù)據(jù)寫入非易失性存儲器。

問題在于，性能需求的提高和綠色倡議給系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了尋找電池替代品的壓力。電池是一種眾所周知的危險材料，必須在監(jiān)管機構(gòu)制定的嚴(yán)格準(zhǔn)則下進行處理。由于無論是否使用，它們都需要定期更換，因此電池更換和處置是運行數(shù)據(jù)中心成本的重要考慮因素。

閃存性能的進步使得用更持久、更高性能和更環(huán)保的超級電容器替換這些系統(tǒng)中的電池成為可能。超級電容器由碳和鋁制成，不含重金屬，因此它們不會出現(xiàn)任何危險材料處理問題。此外，超級電容器比電池更堅固，從而降低了維護成本——鋰離子電池的循環(huán)壽命為 500 次循環(huán)，而超級電容器的循環(huán)壽命為 <> 萬次循環(huán)。超級電容器可以在幾分鐘內(nèi)充電到滿負(fù)荷，而電池可能需要長達六個小時。盡管超級電容器的能量密度可能比鋰離子電池低兩個數(shù)量級，但閃存中功率要求的降低和超級電容器容量的增加使其成為數(shù)據(jù)恢復(fù)備份解決方案的可行儲能介質(zhì)。

在基于超級電容器的備用電源系統(tǒng)中，必須對串聯(lián)的電容器組充電并平衡電池電壓。超級電容器在需要時入電源路徑，負(fù)載的功率由DC/DC轉(zhuǎn)換器控制。圖 1 示出了一款基于超級電容器的備用電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一個 LTC3625 超級電容器充電器、一個采用 LTC4412 的自動電源交越開關(guān)和一個 LTM4616 雙輸出 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

圖1.超級電容器儲能系統(tǒng)的電路實現(xiàn)，用于在電源故障期間保持電源。

LTC?3625 是一款高效率超級電容器充電器，具有許多特性，使其成為 RAID 應(yīng)用中小型仰型備份的理想選擇。該器件采用 3mm × 4mm × 0.75mm 12 引腳 DFN 封裝，幾乎不需要外部元件。它具有高達 1A 的可編程平均充電電流、兩個串聯(lián)超級電容器的自動電壓電池平衡和低靜態(tài)電流。當(dāng)輸入電源被移除或器件被停用時，LTC3625 會自動進入一種低電流狀態(tài)，從超級電容器吸收小于 1μA 的電流。

超級電容器特性

超級電容器的電容范圍從數(shù)百毫法拉到數(shù)千法拉不等。標(biāo)準(zhǔn)電壓額定值為 2.5V 和 2.7V，而封裝堆疊超級電容器可以大于 15V。 10F/2.7V 超級電容器采用 10mm × 30mm 2 端子徑向罐，而 400F/2.7V 超級電容器采用 35mm × 62mm 4 端子徑向罐。較大罐中的四個端子中的兩個用于機械穩(wěn)定性，并且未與任一電源端子電連接。

超級電容器在備用電源應(yīng)用中的兩個關(guān)鍵參數(shù)是初始漏電流和電池電壓。初始漏電流可高達額定漏電流的50倍，在額定電壓下100小時后降至規(guī)定電流。超級電容器兩端施加的電壓對其使用壽命有重大影響。當(dāng)對串聯(lián)的超級電容器充電時，電壓平衡是充電電路的關(guān)鍵要求，以保持電容器的使用壽命。無源電壓平衡，即電阻器與每個超級電容器并聯(lián)放置，是一種簡單的技術(shù)，但在充電器禁用時會不斷對超級電容器放電。有源電壓平衡（例如由 LTC3625 在充電過程中執(zhí)行的平衡）免除了增設(shè)這些電阻器的需要，并防止了超級電容器的過度充電。

備用電源應(yīng)用

有效的備用電源系統(tǒng)包含一個超級電容器堆棧，該堆棧能夠支持從易失性存儲器中傳輸完整的數(shù)據(jù)。DC/DC轉(zhuǎn)換器獲取超級電容器堆棧的輸出，并為數(shù)據(jù)恢復(fù)電子設(shè)備提供恒定電壓。數(shù)據(jù)傳輸必須在超級電容器堆棧兩端的電壓降至最小輸入工作電壓（VUV） 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

為了估計超級電容器組的最小電容，有效電路電阻（RT）需要確定。RT是超級電容器的ESR之和，分配損耗（R迪斯特） 和 RDS（ON）自動分頻器的 MOSFET。

當(dāng)進入 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電壓處于 VUV 時，允許有效電路電阻損失 10% 的輸入功率，RT 的最大值可由下式確定：

超級電容器堆棧兩端所需的電壓（VC（UV）） 在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的最小工作電壓下：

最小電容（CMIN） 要求現(xiàn)在可以根據(jù)所需的備份時間 （TBU）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)介W存中，初始堆棧電壓（VC（0）） 和 （VC（UV）).

最小電容（CMIN）是超級電容器堆棧的有效電容（CEFF），即一個超級電容器的電容除以堆棧中的超級電容器數(shù)量。表達式中用于計算RT的ESR是一個超級電容器的ESR乘以堆棧中超級電容器數(shù)量的乘積。超級電容器的壽命終止定義為電容降至其初始值的70%或ESR值翻倍。此壽命終止定義用于為設(shè)計選擇超級電容器。

超級電容器的ESR和電容都隨著施加頻率的增加而降低。制造商通常指定 ESR 為 1kHz，而有些制造商指定 ESR 為 1kHz 和直流。電容通常指定為直流電。確定超級電容器的實際電容和ESR的一種方法是向帶電的超級電容器施加恒定電流（I），并使用電壓衰減來確定這些參數(shù)。電壓（?V）的初始步進C），忽略超級電容器的任何電感效應(yīng)，用于確定ESR。

在電壓的初始階躍之后，由于恒流負(fù)載，超級電容器兩端的電壓線性降低。通過以兩個時間間隔測量電壓，可以確定超級電容器的電容。

VC（t1）是第一個時間間隔 （T1） 處的電壓

VC（t2）是第二個時間間隔 （T2） 處的電壓

要確定的最后一個參數(shù)是超級電容器的充電電流（ICHARGE）。充電電流由超級電容器堆棧所需的恢復(fù)時間或充電時間（TRECHARGE）決定。

使用 LT3625 的超級電容器的充電曲線并不是人們所期望的經(jīng)典線性電壓斜坡 （參見圖 2）。這是由于 LT3625 的降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所致。

圖2.將配置文件充電到匹配的超級電容中

雙電容組的底部超級電容器首先充電至約1.35V （VMID（良好））。一旦底部電容器達到1.35V，升壓電路開始為頂部超級電容器充電，從底部超級電容器移動電荷。降壓轉(zhuǎn)換器繼續(xù)為底部超級電容器充電，但由于其部分電荷被移除，電壓上升較慢。如果升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流大于降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流，則底部超級電容器上的電壓降低，當(dāng)它因VMID（GOOD）遲滯衰減時，升壓轉(zhuǎn)換器關(guān)閉并保持關(guān)閉狀態(tài)，直到底部超級電容器充電回VMID（GOOD）。

如果頂部超級電容器超過底部超級電容器50mV，則升壓轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，直到底部超級電容器比頂部超級電容器高50mV。最后，如果底部超級電容器達到其最大閾值，降壓轉(zhuǎn)換器關(guān)斷，升壓轉(zhuǎn)換器保持導(dǎo)通。底部超級電容器上的電壓停止，降壓轉(zhuǎn)換器保持關(guān)斷狀態(tài)，直到電壓降低50mV。此過程一直持續(xù)到VOUT達到其編程的充電器終止電壓。

圖 2 中的圖表顯示了 LTC3625 的兩種配置的充電曲線，即在 RPROG 設(shè)置為 143k 的情況下，將兩個 10F 超級電容器的堆棧充電至 5.3V。該圖與以下公式相結(jié)合，用于確定RPROG的值，該值將為目標(biāo)應(yīng)用中的實際超級電容器產(chǎn)生所需的充電時間。

VC（UV）是超級電容器的最低電壓，DC/DC轉(zhuǎn)換器可以在該電壓下產(chǎn)生所需的輸出。VOUT 是目標(biāo)應(yīng)用中 LTC3625 的輸出電壓 （由 VSEL 引腳設(shè)定）。TESTIMATE是從VC（UV）充電到5.3V所需的時間，從充電曲線推斷。TRECHARGE是目標(biāo)應(yīng)用中所需的充電時間。

啟動時的初始充電時間由 70 秒的完全充電時間確定。

設(shè)計示例

例如，假設(shè)將數(shù)據(jù)存儲到閃存中需要 45 秒，其中 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入功率為 20W。紫外線的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為 2.7V。一 噸充值需要十分鐘。施加到超級電容器的電壓直接影響其使用壽命，因此我們不希望在每個堆疊電容上施加全額定電壓（2.7V）。電池組的全充電電壓設(shè)置為4.8V，這是延長超級電容器壽命和盡可能多地利用存儲容量之間的良好折衷。R 的組成部分T估計：R分配= 10mΩ，ESR = 20mΩ 和 RDS（ON）= 10mΩ。

RT（MAX） = 36mΩ 和 RT = 40mΩ 的估計值對于設(shè)計的這一階段來說足夠接近。當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器掉線時，超級電容器組所需的電壓為：

堆棧的要求電容為：

兩個 360F 超級電容器 （NessCap ESHSR-0360C0-002R7A） 的堆棧具有 126F 的報廢電容。初始 ESR 的額定值為 3.2mΩ，壽命終止 ESR 為 6.4mΩ。

交越開關(guān)由一個 LTC4412 PowerPath? 控制器和兩個來自 Vishay 的 Si4421DY、P 溝道 MOSFET 組成。柵極電壓為2.5V的Si4421DY的RDS（ON）為10.75mΩ（最大值）。

使用超級電容器的壽命結(jié)束ESR值和實際MOSFET的RDS（ON），可以確定最大互連電阻：

LTC3625 具有兩種工作配置模式。單電感器配置用于小于0.5A的超級電容器充電電流，雙電感器配置用于高達1A的充電電流。對于此應(yīng)用，2電感器配置用于滿足360F超級電容器的充電時間要求。

確定 R 的值進度，堆棧電容是在超級電容器的初始電容加上其容差的高壓側(cè)（20%）處估計的。從圖2中的圖表可以看出，3V至5.3V的充電時間估計為32秒。

最接近的標(biāo)準(zhǔn)1%電阻為78.7k。

初始啟動時間估計為：

數(shù)據(jù)手冊建議降壓和升壓電感均采用 3.3μH 電感 （Coilcraft MSS7341-332NL）。

LTC3625 包含一個電源故障比較器，該比較器用于監(jiān)視輸入電源以啟用 LTC4412 PowerPath 控制器。PFO 比較器具有一個 1.2V 的內(nèi)部基準(zhǔn)，連接到比較器的負(fù)輸入。連接到PFI引腳的分壓器設(shè)置電源故障觸發(fā)點（V聚苯乙烯） 至 4.75V。底部電阻設(shè)置為100k，因此上電阻為：

最接近的標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻為 294k。

電路在行動圖 1 示出了一套完整的超級電容器儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 LT33625、兩個線藝 3.3μH 電感器和 NessCap 的兩個 360F 超級電容器組成。LTC4412 和兩個 Vishay Si4421DY MOSFET 構(gòu)成了自動交越開關(guān)，而 LTM4616 是代表儲能系統(tǒng)的恒定功率負(fù)載的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

圖 3 示出了 LTC1112 充電電路的初始充電時間為 3625 秒。使用標(biāo)稱元件值，初始充電時間為 1255 秒，完全在元件公差范圍內(nèi)。在最初的250秒內(nèi)，只有降壓轉(zhuǎn)換器對底部超級電容器充電，一旦電壓達到1.35V，升壓轉(zhuǎn)換器就開始工作。降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器在接下來的500秒內(nèi)繼續(xù)工作。對充電曲線的一個有趣觀察是，750秒后，斜率和輸入電壓上的紋波電壓的變化是由于降壓轉(zhuǎn)換器在充電的最后幾分鐘內(nèi)關(guān)閉和打開。

圖3.耗盡串聯(lián)連接的 360F 超級電容器對的初始充電

圖4顯示了負(fù)載為20W的系統(tǒng)備份時間。所需的備份時間為 45 秒，而我們的系統(tǒng)支持負(fù)載為 76.6 秒?？捎脗浞輹r間較長是由于寄生電路電阻低于估計值，并且DC/DC轉(zhuǎn)換器繼續(xù)在低至2.44V而不是設(shè)計計算中的2.7V下工作。當(dāng)1.8V轉(zhuǎn)換器關(guān)閉時，可以看到1.2V轉(zhuǎn)換器的輸出再次打開。這種“摩托艇”效應(yīng)是由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓升高引起的，當(dāng) 1.2V 轉(zhuǎn)換器部分關(guān)閉時，輸入電流減小。這可以通過增加一個具有足夠遲滯的外部欠壓鎖定電路來禁用DC/DC轉(zhuǎn)換器來消除。

圖4.支持20W負(fù)載的超級電容器備份時間

最后，圖5顯示了備份操作后超級電容器的充電時間。充電時間實際上是 685 秒，而計算中使用的時間為 600 秒。充電時間越長，是因為DC/DC轉(zhuǎn)換器的啟動電壓較低，為2.44V。

圖5.串聯(lián)的一對 360F 超級電容器的充電

結(jié)論

超級電容器正在取代電池，以滿足數(shù)據(jù)中心的綠色倡議要求。LTC?3625 是一款具有自動電池平衡功能的高效 1A 超級電容器充電器，可與 LTC4412 低損耗 PowerPath 控制器結(jié)合使用，以產(chǎn)生一個用于保護 RAID 磁盤應(yīng)用中數(shù)據(jù)的儲能系統(tǒng)。LTC3625 采用 12 引腳 3mm × 4mm × 0.75mm DFN 封裝。

審核編輯：郭婷