Решение для резервного копирования данных на основе электролитического конденсатора

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2016

Victor Khasiev, Linear Technology

Design Note 553

Введение

Проблема потери данных затрагивает те телекоммуникационные, промышленные и автомобильные приложения, где встраиваемые системы зависят от бесперебойной работы источников питания. Неожиданные провалы питания могут повредить данные жестких дисков и флеш-памяти во время операций чтения или записи. Нередко у встроенных систем есть всего от 10 до 50 мс, чтобы переключиться на резервный источник прежде, чем произойдет потеря данных.

Резервное копирование данных используется во встраиваемых системах для обслуживания, диагностики и ремонтных работ. В сложном промышленном металлообрабатывающем оборудовании после прерывания питания важно иметь возможность сохранить позицию и состояние множества инструментов, механизмов и устройств, чтобы не допустить поломки оборудования после устранения неисправности. Для этих приложений требуются стабильное питание и накопители данных, но при ненадежных источниках питания выполнение этих требований затруднительно. Длинные линии питания, разряженные аккумуляторы, нестабилизированные сетевые адаптеры, скачки нагрузки и переключение обмоток мощных электродвигателей приводят к ошибкам во входных данных. В результате разработчики встраиваемых систем предпочитают конструировать устройства с максимально широким диапазоном входных напряжений, чтобы использовать их в самых различных приложениях и средах.

Описание схемы

На Рисунке 1 изображена схема решения, обеспечивающего систему первичным питанием плюс питанием для резервного копирования данных. Центральным элементом схемы является микросхема двунаправленного источника резервного питания LTC3643 [1]. При наличии входного напряжения LTC3643 в форсированном режиме заряжает накопительный конденсатор C_ST до 40 В. Когда входное напряжение исчезает, LTC3643 разряжает накопительный конденсатор на нагрузку, понижая при этом напряжение до уровня, позволяющего поддерживать номинальное напряжение нагрузки (V_SYS) в диапазоне от 3 В до 17 В.

Рисунок 1.	Организация резервного питания с использованием микросхемы LTC3643.

Относительно высокое напряжение на шине резервного питания в этом решении позволяет увеличить количество запасенной энергии (в соответствии с формулой E = CV²/2) и дает возможность в качестве компонентов резервного хранения использовать электролитические конденсаторы. Дешевые и общедоступные электролитические конденсаторы существенно снижают цену системы резервирования. Еще одним преимуществом LTC3643 является способность микросхемы поддерживать 12-вольтовые системы – стандарт по умолчанию для шин питания многих автомобильных и промышленных приложений.

В схеме на Рисунке 1 микромодуль повышающе-понижающего преобразователя LTM4607 выполняет функцию входного регулятора, вырабатывающего напряжение 12 В/5 А из входного напряжения 5 … 36 В, источником которого может быть, например, аккумулятор транспортного средства. Повышающе-понижающий регулятор поддерживает на выходе стабильное напряжение 12 В до тех пор, пока входное напряжение остается в требуемых пределах, позволяя V_SYS штатно реагировать на кратковременные провалы и всплески напряжения, возникающие, скажем, при холодном пуске двигателя или при сбросе нагрузки. Если входное напряжение прерывается или выходит из заданного диапазона, система резервного питания на основе LTC3643 поддерживает на системной шине V_SYS напряжение, позволяющее осуществить кратковременное резервное копирование данных.

Работа схемы

В нормальном режиме работы, когда p-канальный MOSFET Q1 включен, флаг PFO сброшен, и массив электролитических конденсаторов C_ST заряжен до 40 В. В случае прерывания входного напряжения LTC3643 выключает транзистор Q1, устанавливает высокий уровень на выходе PFO и начинает разряд массива конденсаторов C_ST, поддерживая на нагрузке напряжение 12 В. При выключенном Q1 паразитный диод этого транзистора эффективно изолирует нагрузку от входных линий. Флаг PFO служит для идентификации неисправностей и подачи хост компьютеру сигнала для отключения некритических нагрузок и источников питания. При расчете схемы было сделано допущение, что для питания критических схем, связанных с сохранением данных, система резервирования должна отдавать ток 1 А в течение 100 мс.

Рисунок 2.	Форма напряжений во время переключения. VSYS – напряжение на нагрузке (5 В/ДЕЛ), VIN – входное напряжение (5 В/ДЕЛ), PFO – флаг статуса (1 В/ДЕЛ), VCAP – напряжение на конденсаторе CST (10 В/ДЕЛ).

Весь процесс переключения иллюстрируется Рисунком 2. Сначала, и до тех пор, пока на входе присутствует напряжение, системная нагрузка получает питание от микросхемы LTM4607. Когда входное напряжение прерывается, питание нагрузки поддерживается микросхемой LTC3643, разряжающей накопительный конденсатор. Более детально процессы, происходящие при переключения, показаны на Рисунке 3. Напряжение на нагрузке падает до 10 В – значения, заданного делителем R_PT/R_PB, а затем восстанавливается до номинального уровня 12 В, определяемого делителем R_BT/R_BB.

Рисунок 3.	Детальное представление напряжений во время переключения. PFO –1 В/ДЕЛ, VSYS – 2 В/ДЕЛ.

Ниже приведены формулы для оценки необходимой емкости накопительного конденсатора. При необходимости выполнения более детального анализа, нужную информацию можно найти в документации изготовителя.

1. Накопленная энергия
   
   где V_CAP – напряжение на конденсаторе.
    
2. Энергия, необходимая для питания нагрузки в течение времени T_H
   
   где I_SYS – ток нагрузки.
    
3. Время удержания заряда
   
   где η – КПД.
    
4. Емкость накопительного конденсатора

Заключение

LTC3643 – это высокоинтегрированный повышающий преобразователь напряжения. В описанной здесь конструкции преимущества этой микросхемы объединены с микромодулем повышающе-понижающего преобразователя LTM4607. Объединенные в одной схеме, эти два устройства образуют эффективное решение для хранения и резервного копирования данных в автомобильных и промышленных приложениях.

Ссылки

Материалы по теме