您拥有一项 B 计划吗?

本文作者

Tony Armstrong

凌力尔特公司  电源产品部  产品市场总监

引言

作为一名科幻小说迷，我是 1950 年代末好莱坞低预算 Ed Wood 电影这一流派的 "粉丝"。我最喜欢的其中一部影片是 "Plan 9 from Outer Space"，它描述了外星人来到地球以阻止人类建造一种有可能摧毁整个宇宙的末日武器。然而，事情并没有完全按计划进行，而且外星人被消灭了。显然，外星人事先并未制定一项 B 计划以防九号计划不能如期奏效！

利用该情节主线可以容易地得出一个推论，以应用于不管其外部工作条件怎样都必须继续保持运行状态的电子系统。换句话说，其电源中的任何毛刺干扰 (无论是瞬间、几秒钟、乃至数分钟) 都必须在其设计过程中予以考虑。应对此类情况最常用的方法是使用不间断电源 (UPS) 以覆盖这些短暂的故障停机时间，从而确保高可靠性的系统持续运作。同样，如今的许多应急和备用系统被用于为建筑系统提供后备电源，以保障安全系统和关键设备能够在停电 (不管是什么起因) 期间保持其正常工作。另一个明显的例子可以很容易地在我们日常生活中广泛使用的手持式电子设备中找到。由于可靠性是头等重要的，因此手持式设备专为在正常情况下利用轻量型电源实现可靠运作而精心设计。但是，设计中再多的谨慎仔细也无法阻止它们在人类 (乃至外星人) 的手上将会遭受的 "粗暴对待"。例如：当工厂的工人意外地掉落条形码扫描仪而造成其电池甩出时，会发生什么呢? 此类事件以电子方式是无法预知的，而且假如没有某种形式的安全网 (即某种短期电源保持系统，其可存储充足的电能以提供备用电源，直到可以更换电池或可把数据存储在永久性存储器中为止)，则存储在易失性存储器中的重要数据将会丢失。

这些实例清楚地表明了对于提供某种替代形式电源的需要，旨在应对主电源发生供电中断的情形。换言之，必须制定一项专门针对主电源未接入 (不管是什么原因) 之场合的备份计划。我将此称为 "B 计划"。

存储媒体

既然已确认要对任何给定的系统提供后备电源，那么问题就出现了：用什么作为这种电源的存储媒体呢? 传统上，人们一直选择的是电容器和电池。

我认为：公平地说，几十年来电容器技术在功率传输和供电应用中起到了重要的作用。例如，基于薄膜和石油的传统电容器设计可执行多种功能，例如：功率因数校正和电压平衡。然而，在过去的 10 年里人们开展了大量的研发工作，从而在电容器设计和能力方面取得了重大的进展。这些被称为 "超级电容器"，而且它们非常适用于电池储能和后备电源系统。超级电容器就其总储能而言或许是有限的；不过，它们具有 "高能量密度"。此外，它们还能够快速释放高水平的能量并迅速完成再充电。

超级电容器还拥有紧凑、坚固和可靠的特点，并能支持后备系统针对上述短期电源丢失等情况的要求。它们可以容易地并联、或串联堆叠、或甚至是此二者的组合，以提供终端应用所需的必要电压和电流。然而，超级电容器并不仅仅是一种电容水平非常高的电容器。与标准的陶瓷、钽或电解电容器相比，超级电容器可在外形和重量相似的情况下提供较高的能量密度和较高的电容。而且，虽然超级电容器需要一些 "照看和馈电"，但是它们在要求大电流 / 短持续时间后备电源的数据存储应用中逐步地增广乃至取代了电池。

此外，它们还在多种需要大电流突发脉冲或短暂电池后备供电 (例如：UPS 系统) 的高峰值功率和便携式应用中日益找到了用武之地。相比于电池，超级电容器能以较小的外形尺寸提供较高峰值功率突发脉冲，并在较宽的工作温度范围内具有较长的充电循环寿命。可通过降低电容器的 "top-off" 电压和避免高温 (>50°C) 以最大限度地延长超级电容器寿命。

另一方面，电池虽能存储许多的能量，但在功率密度和供电方面是有限的。由于电池内部发生的化学反应之原因，它们在充电次数上受到了限制。因此，当在很长的时间里提供适中功率量时它们是最有效率的，因为非常快地从其抽取多安培的电流将严重地限制其有效工作寿命。表 1 概要列出了超级电容器、电容器和电池的优缺点。

表 1：超级电容器与电容器和电池的比较