基于超级电容器的后备电源可防止RAID系统中的数据丢失

引言

就其本质而言，独立冗余磁盘阵列(RAID)系统是专为在面对恶劣环境时保存数据而设计。电源故障就是一个例子，它会威胁到临时存储在易失性存储器之中的数据。为了保护这些数据，许多系统采用了基于电池的后备电源，这种后备电源可提供足以供RAID控制器将易失性数据写入非易失性存储器的短时功率。然而，闪存性能的进步(例如：DRAM密度、较低的功耗和较快的写入时间)、再加上超级电容器的技术改良(比如：较低的ESR和每单位体积较高的电容)，使得能够采用寿命更长、性能更高和“环保性更佳”的超级电容器来替代这些系统中的电池。图1示出了一款基于超级电容器的后备电源系统，该系统采用了LTC3625超级电容充电器、一个使用LTC4412 PowerPath控制器的自动电源通道切换和一个LTM4616双路输出μModule DC/DC转换器。LTC3625是一款高效率超级电容充电器，非常适合于RAID应用中的小型后备电源系统。该器件采用3mm x 4mm x 0.75mm 12引脚DFN封装，且所需的外部组件极少。它具有一个高达1A的可编程平均充电电流、两个串接超级电容器的自动电量电压平衡功能和一种从超级电容器吸收少於1μA电流的低电流状态。

图1 用于数据备份的超级电容器能量存储系统

后备电源应用

有效的后备电源系统包括一个超级电容器组，该超级电容器组具有支持一次完整的数据传输所需的蓄电容量。一个DC/DC转换器负责获取超级电容器组的输出，并向数据恢复电子线路提供一个恒定电压。数据传输必须在超级电容器组两端的电压下降至DC/DC转换器的最小输入工作电压(VUV)之前完成。

为了估算超级电容器组的最小电容，必需确定有效电路电阻(RT)。RT是超级电容器的ESR、分配损失(RDIST)与自动通道切换的MOSFET的 RDS(ON)之和：

RT=ESR+RDIST+RDS(ON)

在VUV条件下，当允许10%的输入功率损失于RT之中时，可以确定RT(MAX)：

在VUV条件下，超级电容器组两端上所需的电压(VC(UV)) 为：

现在，可以根据将数据传输至闪存所需的备份时间(tBU) 、超级电容器组的初始电压 VC(O) 和 VC(UV)来计算最小电容 (CMIN) 要求：

CMIN为一个超级电容器电容的1/2。在计算RT的表达式中所使用的ESR是寿命末期ESR的两倍。寿命末期被定义为当电容降至其初始值的70%或ESR倍增之时。

LTC3625产品手册中的“匹配超级电容器的充电曲线”图描绘了采用LTC3625将一个含有两个10F超级电容器的超级电容器组充电至5.3V(RPROG被设定为143k) 的两种配置之充电曲线。将这幅曲线图与下面的公式相结合，用于确定所需的RPROG值，以产生适合目标应用中所使用的实际超级电容器的期望充电时间：

VC(UV)是使DC/DC转换器能够产生所需输出的超级电容器最小电压。VOUT是目标应用中LTC3625的输出电压(由VSEL引脚设定)。tESTIMATE是从VC(UV)充电至5.3V所需的时间(可从充电曲线来推知)。tESTIMATE是目标应用中期望的再充电时间。

设计实例

例如：假设在DC/DC转换器的输入功率为20W的情况下将数据存储至闪存需要45秒，而DC/DC转换器的VUV为2.7V。所需的tESTIMATE为10分钟。超级电容器组的满充电电压被设定为4.8V——这在延长超级电容器的寿命与尽可能利用其蓄电容量之间实现了良好的折衷。对RT的组成部分进行了估算：RDIST=10mΩ、ESR=20mΩ和RDS(ON)=10mΩ。

对于该设计阶段而言，最终得到的估算值RT(MAX)=36mΩ与RT=40mΩ足够接近。VC(UV)的估算值为3V。CMIN为128F。两个360F电容器提供了一个126F的寿命末期电容和6.4mΩ的ESR。通道切换由LTC4412和两个P沟道MOSFET组成。栅极电压为2.5V，RDS(ON)为10.75mΩ (最大值)。26.15mΩ的RT完全在RT(MAX)的范围之内。RPROG的估算值为79.3k。与之最接近的1%精度标准电阻器为78.7k。产品手册建议的降压和升压电感器的数值均为3.3μH。

LTC3625包含一个电源故障比较器，该比较器用于监视启用LTC4412的输入电源。一个连接至PFI引脚的分压器负责将电源故障触发点(VPF)设定为4.75V。

图2示出了一个具有20W负载的系统之实际备份时间。期望的备份时间为45秒，而该系统提供的备份时间为76.6 秒。造成这种差异的原因是RT低于估算值以及实际的VUV为2.44V。如图3所示，实际的再充电时间为685秒，而计算中所采用的再充电时间为600秒，该差异源于实际的VUV较低。

图2 支持一个20W负载的超级电容器备份时间

图3 备份之后的再充电时间

结论

超级电容器正在逐步取代电池，以满足针对数据中心的绿色环保计划强制要求。LTC3625是一款具自动电量平衡功能的高效率1A超级电容充电器，可与LTC4412低损耗PowerPath控制器相组合，以造就一款用于在