信息管理系統的客戶需要保證關鍵數據始終安全。冗余數據存儲系統和數據備份會在數據寫入持久介質（如磁盤或磁帶）后保留數據，但存儲在緩存 RAM 中的數據在遇到電源故障時容易受到攻擊。某些系統在RAM中始終具有大量數據，并且在完全斷電的情況下，這些數據會丟失。保存瞬態數據的典型解決方案是不間斷電源 （UPS），它為整個系統提供交流電源。此方法的缺點是它不容易擴展 - 一個超大且昂貴的系統必須涵蓋所有方案。

不同規模的備用電池

備用電池的規模范圍從多個信息產品協同工作的整個系統到較小的獨立產品。對于大型系統，系統必須保持運行，直到有時間正確保存數據，然后關閉。通常，這意味著連接到系統的所有內容也必須保持活動狀態。簡而言之，電池備份系統必須在全速運行時支持整個系統。如果關注的數據完全包含在CPU處理器中，那么電池備份系統的大小自然會適當地縮小。

交流備份效率低下

如引言中所述，解決瞬態數據問題的典型方法是通過其交流輸入為整個系統供電。不幸的是，交流級備份需要從直流到交流電再再回到直流的低效電源轉換，從而確保在給定的備用時間內具有相對較大的電池容量。這對電池制造商有利，但對系統客戶不利。其結果是一個物理巨大且非常昂貴的第三方UPS電池備份系統，該系統必須能夠以最壞情況下的效率提供最壞情況下的功耗水平。

集成度差的解決方案

通常情況下，這些信息系統在設計時從未考慮過備用電池，這是使用交流備份的重要原因之一。備用電池和數據系統之間缺乏互操作性，這意味著很難優化整個系統以節省資金、管理能源或生成有關實際情況的狀態報告。該解決方案看起來和行為都像是一個繁瑣的事后想法，確實如此。與之形成鮮明對比的是，日常筆記本電腦是集成電源管理的一個很好的例子。

對高成本的錯誤認知

傳統上大型且昂貴的UPS解決方案的結果是，它限制了系統制造商將備用電池作為內置功能提供的市場機會。客戶必須權衡UPS的優勢與其作為迷你發電站的聲譽，通常會合理化避免它的方法。低需求降低了系統設計人員集成UPS系統的動力。不幸的是，這種思維方式將利潤洗牌到UPS供應商的口袋里，而這些利潤本應屬于信息系統供應商的口袋。

現實情況是，緊湊、緊密集成、高效且具有成本效益的電池備份解決方案可以直接設計到信息系統中，并且可以提供超出任何UPS系統能力的功能和性能。首先，由于備用電源可以僅指向那些需要保持活動狀態的電路，因此所需的功率大大減少。同樣，也沒有交流效率損失需要處理。綜合節能顯著減小了電池的物理尺寸，從而可以將整個電池備份系統安裝在產品機箱內。為了解決可擴展性問題，如果需要保護多個數據點，可以將集成電池備份概念擴展到信息系統的其他部分。

新的競爭優勢

通過將備用電池集成到信息系統中，信息系統供應商可以提供比第三方UPS系統更好的監控和報告功能，從而為客戶節省大量總體成本。這是一個競爭優勢，因為它對系統設計師和客戶來說都是一個明顯的勝利。

挑戰

如果信息系統的設計工程師要集成一個可靠的備份系統作為產品的擴展，那么在前期就會遇到一些技術挑戰。完整解決方案涉及三個基本子系統。

充電器

電源路徑管理

狀態報告

這些子系統可作為單獨的集成設備隨時提供，但是如果您希望需要這些系統緊密協作的功能，該怎么辦？例如，在所有條件下始終了解并保持電池的健康狀況和充電狀態需要所有三個系統的共同努力。備用電池系統中其他理想的功能包括：

良好的電池驗證，可消除備份故障意外。

隨著系統的增長而具有可擴展性。

保持盒子冷卻的效率。

為簽訂合同的客戶提供冗余支持，保證不會丟失數據。

即使電池出現故障，也能保持故障狀態，以防止產生虛假的安全感。

完整的備用電池管理器

LTC4110 通過在單個 IC 中集成以下功能，得以實現可靠、高效和可擴展的電池備份系統：

高效的多化學標準和智能電池充電器：無需為處理器增加充電任務的負擔。

自動電源路徑管理：在所有電源之間提供平穩切換。

靈活的狀態報告：SMBus 上所有模式和故障的狀態。

燃氣表支持：支持智能電池和標準電池的簡單容量驗證。

測試負載電池：驗證它仍然很好，所以沒有驚喜。

可擴展性：能夠添加更多 LTC4110 以增加總可用電池容量。

效率：同步整流、低損耗FET理想二極管和零熱測試負載電池。

冗余支持：并聯使用多個 LTC4110 以提供完整的單故障容限。

靈活的 I/O 引腳：使用可定義的 GPIO 引腳或狀態輸出引腳。

狀態保留：電池耗盡后保留備用電池故障狀態。

這只是功能的摘要。讓我們看一個示例應用程序，看看所有這些功能是如何組合在一起的。

LTC4110 的緊密耦合架構

圖 1 示出了 LTC4110 如何適合電池備份的服務器存儲器系統。LTC4110 連接至現有的 I2C 總線，從而利用現有的通信基礎設施。它位于主配電電源和存儲器系統電源之間，隨時準備在輸入故障時切斷電池。它將DCIN與DCOUT隔離，因此電池支持的唯一負載是內存。現有的DC/DC轉換器轉換未穩壓的電池電壓，并繼續向存儲器提供穩壓。

圖1.CPU/服務器系統中LTC4110的框圖

圖 2 示出了 LTC4110 電池備份控制器原理圖。原理圖顯示一個12.6V鋰離子電池由固定的12V電源充電。

圖2.基于 LTC4110 的電池備份系統。

超柔性電池充電器

300kHz電池充電器由一個高效的同步整流反激式充電器組成，輸入范圍為4.5V至19V，充電速率高達3A。2.7V至19V的寬輸出電壓范圍能夠將電池充電至完全終止電壓，無論電壓小于或大于輸入電源電壓。無需將電池組電壓配置為在輸入電源限制內工作，從而完全自由地針對應用優化電池。對于使用恒壓充電的電池，輸出精度為 ±0.5%，但同時可調節，允許您優化電池以獲得更長的電池壽命或最大容量。還為密封鉛酸電池提供浮動電壓溫度補償。

LTC4110 包含許多電池充電保護系統，包括在進入大容量充電之前對所有化學成分進行充電預調節鑒定，以及一個用于監視電池溫度的熱敏電阻接口。安全定時器還以各種方式用于防止電池過度充電或幫助檢測有缺陷的電池。如果電池出現故障，充電狀態將更新。在標準電池模式下，LTC4110 采用內置的充電終止功能。在智能電池模式下，電池本身控制充電終止。無論模式如何，電池充電器都能夠以許多不同的電池配置為許多不同類型的電池化學物質充電。表 1 和表 2 提供了 LTC4110 充電能力的快速概述。圖3顯示了充電模式下的功率流。

圖3.LTC4110 處于充電模式。

建立對電池的信心，同時保持冷靜

如果要對系統充滿信心，則必須始終了解備用電池的狀況。在主機 CPU 或電源管理器的監視下，您可以做三件事來建立這種信心：

測試加載電池：電池還能工作嗎？

驗證電池容量：它是否仍具有支持備份的保留容量？

燃氣表狀態：電池的充電狀態 （SOC） 是什么？

起初測試加載電池似乎很簡單。只需將測試負載連接到電池并觀察其工作。理想情況下，電池在產品中進行測試，無需打開盒子。必須處理的大問題是負載在測試過程中產生的熱量。在許多應用中，產品本身已經接近熱極限，這意味著可能無法將額外的熱量放入盒子內。

在LTC4110術語中，測試電池負載是稱為“校準”的模式的一部分。在校準模式下，LTC4110 反向使用其反激式充電器，以一個可編程恒定電流將電池放電至“系統負載”，從而消除了熱量的產生。在校準期間，主 AC/DC 電源僅看到系統負載電流的降低等于電池提供的電流。產品內部沒有溫度變化。電池繼續放電，直到滿足終止放電的條件。在放電終止時，LTC4110 自動啟動一個再充電周期，以使電池恢復到就緒狀態。圖4顯示了校準模式下的功率流。

圖4.LTC4110 處于校準模式。

在同一校準過程中可以輕松驗證電池容量。R時的電池放電電流精度為±3%社交網絡（蝙蝠）在圖 2 中，主機可以啟動校準過程，同時監控充滿電池耗盡所需的時間。主機知道固定負載電流后，可以使用時間信息以合理的精度確定電池的當前存儲容量（安培小時）。

如果希望進行全時高精度電池SOC監測，那么當今制造的每臺筆記本電腦中都能找到的行業標準智能電池系統（SBS）電量計是唯一真正的解決方案。LTC4110 在充電、放電和校準工作模式中完全支持此標準。

無損自動電源路徑操作

LTC4110 采用理想的二極管電路來驅動其 PowerPath?場效應管。理想的二極管電路使用MOSFET，而通常使用二極管來控制功率流。與真正的二極管一樣，盡管MOSFET可以在兩個方向上傳導電流，但電流只允許沿一個方向流動。理想二極管的正向壓降（25mV）遠小于傳統肖特基二極管（350mV），理想二極管的反向漏電流也可以更小。微小的正向壓降可降低功率損耗，最大限度地減少自發熱，并在電池的情況下延長電池壽命。

在圖2中，有兩組理想二極管在電源輸入（DCIN）和電池之間形成一個電源OR，形成一個稱為備用負載（DCOUT）的輸出。在圖中，電池路徑中使用了兩個背靠背MOSFET，因為在此應用中，完全充電的電池電壓大于DCIN電壓。但是，如果電池電壓小于DCIN，則只需要一個MOSFET。

在正常情況下，輸入理想二極管始終導通。如果DCIN分壓器檢測到需要備用電池的情況，則電池理想二極管導通，輸入理想二極管留出，以確定何時自行關閉。二極管動作允許最高電源承擔備用負載。但由于DCIN正在下降，輸入理想二極管一旦檢測到反向電流就會關閉。理想二極管設計的目標是盡可能始終嘗試進行“先開后斷”切換，從而最大限度地減少對任何“橋接”或“保持”電容的需求。圖 5 示出了處于電池備份模式的 LTC4110。粗線表示活動電源路徑。

圖5.LTC4110 處于電池備份模式。

可擴展容量或創建冗余

理想的二極管技術也是允許一個 LTC4110 與其他 LTC4110 協同工作以實現冗余的關鍵。多個 LTC4110 可在備份負載 （DCOUT） 點并聯連接。無論 SOC 或電壓如何差異，電池都不會在它們之間交換電流。

假設電池的品牌、型號和年齡相同，電池會自動充當一個大電池，根據其相對 SOC 比率共享放電負載電流。如果所有電池都是相同的 SOC，則它們之間的電流相等。充電電流保持獨立。

一些電池化學成分，如鋰離子電池，對可以安全運輸的電池尺寸有規定。如果您的備份需求超過 95 瓦時的容量，則必須使用多個電池。只需再添加另一個 LTC4110 即可支持雙電池操作。幸運的是，這種擴展還通過最大限度地減少每個備份系統之間共享的部件數量，為系統提供了真正的冗余。圖 6 示出了使用兩節標準（非智能）電池的雙通道 LTC4110 系統。

圖6.采用標準電池的雙通道LTC4110系統。

靈活的 SMBus 尋址和寄存器

無論您使用的是智能電池還是標準電池，LTC4110 都支持一個 SMBus 接口，主機 CPU 可使用該接口來控制和監視每個部件。為便于使用標準電池進行配置，LTC4110 支持多達 4110 個唯一的 SMBus 地址。但是，如果您使用智能電池，則所有 LTC4110 必須使用相同的地址，并且每個 LTC4110 和相關智能電池本地 SMBus 必須與所有其他 LTC4305 隔離。在主機 CPU 的控制下，使用 SMBus 多路復用器（如 LTC4306 或 LTC4110）可以輕松實現這一點。在可能的情況下，LTC<> 遵循智能電池系統 （SBS） 充電器規范的寄存器定義，以便與與智能電池配合使用的軟件兼容。

完整狀態和靈活的 GPIO 線

在內部，LTC4110 使用兩個 16 位 SMBus 讀寄存器來報告 27 個唯一狀態項。這包括保留并報告電池備份是否失敗的位，即使在電池低于用戶定義的放電結束截止（死）閾值之后也是如此。另一個 16 位 SMBus 寫寄存器控制充電器以及如何使用三個 GPIO 位。

每個 GPIO 位都可以編程為報告選定的內部狀態信息，或獨立于其他位作為通用數字 I/O 工作。始終提供固定的交流當前狀態輸出位。但是，如果產品中沒有 SMBus，則可以將 LTC4110 配置為啟用預設狀態信息，以在上電時驅動 GPIO 位。此信息可用于驅動狀態 LED。

微功耗關斷和運輸

LTC4110 停機引腳專為防止上電或斷電時的錯誤停機而設計。讀取引腳狀態是經過預驗證的，因此僅在正常情況下才接受。該認證允許產品在安裝電池的情況下發貨，而不必擔心部件進入備用電池模式并耗盡電池電量。停機電流僅從電池吸收 20μA 電流。這與 LTC4110 在備用電池達到其放電點終點時進入的停機模式相同。

結論

LTC?4110 是一款靈活的獨立電池備份控制器。通過將關鍵特性集成到單個IC中，功能可以無縫協同工作，使設計人員能夠以最少的設計工作提供可靠且完整的電池備份系統。

審核編輯：郭婷