LTC3225/LTC3225 - 1：高性能超級電容器充電器的卓越之選

在電子設(shè)備的設(shè)計中，超級電容器充電器的性能對于設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。今天，我們來深入了解一下 Linear Technology 公司的 LTC3225/LTC3225 - 1 超級電容器充電器，看看它有哪些獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用場景。

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產(chǎn)品概述

LTC3225/LTC3225 - 1 是可編程的超級電容器充電器，能夠?qū)蓚€串聯(lián)的超級電容器從低至 2.8V 到 5.5V 的輸入電源充電至可選的固定輸出電壓（LTC3225 為 4.8V/5.3V，LTC3225 - 1 為 4V/4.5V）。其獨特的自動電池平衡功能可防止在充電過程中對任一超級電容器造成過壓損壞，且無需使用平衡電阻。

產(chǎn)品特性

低噪聲與恒頻充電

該充電器采用低噪聲恒頻充電方式，為兩個串聯(lián)的超級電容器充電。這種方式能夠有效降低輸入噪聲，為對噪聲敏感的應(yīng)用提供穩(wěn)定的電源。

自動電池平衡

自動電池平衡功能是 LTC3225/LTC3225 - 1 的一大亮點。在充電過程中，它能不斷監(jiān)測兩個超級電容器兩端的電壓，確保它們的電壓相等，從而防止過壓損壞，延長電容器的使用壽命。

可編程充電電流

充電電流可通過外部電阻進行編程，最大可達 150mA，滿足不同應(yīng)用場景的需求。

可選輸出電壓

LTC3225 每個電池可選擇 2.4V 或 2.65V 的調(diào)節(jié)電壓，LTC3225 - 1 則可選擇 2V 或 2.25V 的調(diào)節(jié)電壓，用戶可根據(jù)實際需求進行靈活配置。

自動再充電與低功耗

具備自動再充電功能，在待機模式下，輸入電流僅為 20μA；當(dāng)輸入電源移除時，輸出電流小于 1μA，有效降低功耗。

無電感設(shè)計

采用無電感設(shè)計，使得應(yīng)用電路非常小巧，其 2mm × 3mm 的 DFN 封裝，所有組件高度均小于 1mm，適合對空間要求較高的應(yīng)用。

工作原理

正常充電周期

當(dāng) SHDN 引腳電壓高于 1.3V 時，充電器開始工作。內(nèi)部通過電阻分壓器和比較器感測 Cout 引腳電壓，并與預(yù)設(shè)電壓閾值進行比較。若 Cout 引腳電壓低于預(yù)設(shè)閾值，振蕩器啟用，典型頻率為 0.9MHz，電荷泵開始工作，對 Cout 進行充電。每次電荷泵從關(guān)機狀態(tài)啟動時，內(nèi)部電荷泵的輸入電流以約 20mA/μs 的速度上升，直至達到由 RPROG 確定的水平。當(dāng)輸出電壓達到預(yù)設(shè)閾值后，內(nèi)部電荷泵關(guān)閉，進入低電流狀態(tài)，此時從輸入電源消耗的電流約為 20μA，從 Cout 汲取的電流約為 2μA。

自動電池平衡機制

由于超級電容器的制造公差，電容和泄漏電流可能會有所不同。LTC3225/LTC3225 - 1 在充電過程中會持續(xù)監(jiān)測兩個超級電容器兩端的電壓。當(dāng)電壓相等時，兩個電容器以相等的電流充電；若其中一個電容器的電壓較低，則增加該電容器的充電電流，同時減少另一個電容器的充電電流。充電電流最多可增減 50%，以平衡電容器兩端的電壓。若兩個超級電容器的泄漏電流或電容不匹配嚴(yán)重，以至于改變充電電流不足以平衡它們的電壓，充電器將停止對電壓較高的電容器充電，直至電壓再次平衡，從而保護電容器免受過壓損壞。

關(guān)機模式

當(dāng) SHDN 引腳置為低電平時，LTC3225/LTC3225 - 1 進入關(guān)機模式。若 SHDN 引腳連接到 VIN 且輸入電源移除或接地，輸出消耗的電流小于 1μA，可使超級電容器保持充電狀態(tài)。若輸入電源存在且 SHDN 引腳接地，充電器消耗的電源電流約為 1μA；當(dāng) Cout 引腳電壓放電至 0V 時，該電流降至小于 1μA。需要注意的是，SHDN 引腳是高阻抗 CMOS 輸入，不應(yīng)懸空。

輸出電壓編程

通過 VSEL 輸入引腳，用戶可以輕松設(shè)置輸出閾值電壓。對于 LTC3225，邏輯低電平設(shè)置調(diào)節(jié)后的 Cout 為 4.8V，邏輯高電平設(shè)置為 5.3V；對于 LTC3225 - 1，邏輯低電平設(shè)置為 4V，邏輯高電平設(shè)置為 4.5V，VSEL 引腳同樣不應(yīng)懸空。

輸出狀態(tài)指示

PGOOD 引腳為開漏輸出狀態(tài)指示器。啟動時，該引腳保持低電平，直到輸出電壓 Vout 達到其最終值的 6%（典型值）以內(nèi)，之后變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。若 Vout 下降到低于正確調(diào)節(jié)水平的 7.2%（典型值），PGOOD 引腳再次拉低。

電流限制與熱保護

LTC3225/LTC3225 - 1 具備內(nèi)置的電流限制和過溫保護功能。若 PROG 引腳短路到地，保護電路會自動關(guān)閉內(nèi)部電荷泵。在高溫環(huán)境下，或當(dāng)輸入電壓過高導(dǎo)致器件過度自熱時，當(dāng)結(jié)溫超過約 150°C 時，熱關(guān)斷電路將關(guān)閉電荷泵；當(dāng)結(jié)溫降至約 135°C 時，電荷泵將重新啟用。該器件能夠在熱關(guān)斷狀態(tài)下無限循環(huán)，不會出現(xiàn)鎖定或損壞，直到過流條件消除。

應(yīng)用信息

編程充電電流

充電電流可通過將 PROG 引腳連接到地的單個電阻進行編程。程序電阻和輸入/輸出充電電流可通過以下公式計算： [I{VIN}=frac{3600V}{R{PROG}}] [I{OUT}=frac{I{VIN}}{2} (with matched output capacitors)] 當(dāng) RPROG 電阻值為 2k 或更低（即短路）時，LTC3225/LTC3225 - 1 將進入過流關(guān)機模式，保護器件不受損壞。

功率效率

LTC3225/LTC3225 - 1 的功率效率與具有有效輸入電壓為實際輸入電壓兩倍的線性穩(wěn)壓器相似。在理想的調(diào)節(jié)電壓倍增器中，功率效率可通過以下公式計算： [eta{2 × IDEAL}=frac{P{OUT}}{P{IN}}=frac{V{OUT} cdot I{OUT}}{V{IN} cdot 2 I{OUT}}=frac{V{OUT}}{2 V{IN}}] 在中高輸出功率下，LTC3225/LTC3225 - 1 的開關(guān)損耗和靜態(tài)電流可以忽略不計，上述公式有效。例如，當(dāng) (V{IN}=3.6V)，(I_{OUT}=100mA) 且 Vout 調(diào)節(jié)到 5.3V 時，測量效率為 71.2%，與理論計算的 73.6% 非常接近。

有效開環(huán)輸出電阻

電荷泵的有效開環(huán)輸出電阻 (R{OL}) 是描述電荷泵強度的重要參數(shù)，其值取決于多個因素，包括振蕩器頻率 (fosc)、飛跨電容 (C{FLY}) 的值、非重疊時間、內(nèi)部開關(guān)電阻 (RS) 和外部電容器的 ESR。

充電時間估算

當(dāng)兩個超級電容器兩端的初始電壓相等時，估算充電時間的公式為： [t{CHRG}=frac{C{OUT} cdot (V{COUT}-V{INI})}{I{OUT}}] 其中，(C{OUT}) 是串聯(lián)輸出電容，(V{COUT}) 是由 VSEL 引腳設(shè)置的電壓閾值，(VINI) 是 Cout 引腳的初始電壓，(I{OUT}) 是輸出充電電流，計算公式為： [I{OUT}=frac{1800V}{R{PROG}}] 當(dāng)充電過程開始時，若超級電容器兩端的初始電壓不相等，只有電壓較低的電容器會先充電，另一個電容器在電壓相等后才開始充電，這會稍微延長充電時間。在最壞的情況下，由于泄漏電流嚴(yán)重不匹配，一個電容器完全耗盡，而另一個仍保持充滿電狀態(tài)，充電時間約為正常情況的 1.5 倍。

熱管理

在較高的輸入電壓和最大輸出電流下，LTC3225/LTC3225 - 1 會有較大的功率耗散。當(dāng)結(jié)溫超過約 150°C 時，熱關(guān)斷電路會自動停用輸出。為降低最大結(jié)溫，建議與 PC 板建立良好的熱連接，將 DFN 封裝的 GND 引腳（引腳 8）和外露焊盤（引腳 11）連接到 PC 板兩層的接地平面，可顯著降低封裝和 PC 板的熱阻。

元件選擇

VIN 電容選擇

為減少輸入引腳 (V{IN}) 的紋波和噪聲，建議使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的多層陶瓷芯片電容器（MLCCs）作為 (C{IN})。鉭電容和鋁電容由于其較高的 ESR，不建議使用。此外，通過一個非常小的串聯(lián)電感為 LTC3225/LTC3225 - 1 供電，如 10nH 的電感，可進一步降低輸入噪聲。該電感可以用約 1cm（0.4"）的 PC 板走線制作。

飛跨電容選擇

飛跨電容應(yīng)始終使用低 ESR 陶瓷電容器，嚴(yán)禁使用鉭電容或鋁電容等極化電容器，因為在 LTC3225/LTC3225 - 1 啟動時，其電壓可能會反轉(zhuǎn)。為實現(xiàn)額定輸出電流，飛跨電容的電容值至少應(yīng)為 0.6μF。不同材料的陶瓷電容器在溫度和電壓變化時，有效電容會有所不同。例如，X5R 或 X7R 材料的電容器在 - 40°C 至 85°C 的溫度范圍內(nèi)能保持大部分電容，而 Z5U 或 Y5V 類型的電容器在該溫度范圍內(nèi)會損失大量電容。在比較不同電容器時，應(yīng)參考電容器制造商的數(shù)據(jù)表，以確保在工作溫度和偏置電壓下滿足最小電容值要求。常見的陶瓷電容器制造商有 AVX、Kemet、Murata、Taiyo Yuden、Vishay 和 TDK 等。

布局考慮

由于 LTC3225/LTC3225 - 1 具有較高的開關(guān)頻率和高瞬態(tài)電流，為實現(xiàn)最佳性能，需要精心設(shè)計電路板布局。完整的接地平面和短連接到所有外部電容器可以提高性能，并確保在所有條件下都能正常調(diào)節(jié)。飛跨電容引腳 (C^{+}) 和 (C^{-}) 上的電壓具有非常快的上升和下降時間，這些引腳上的高 dV/dt 值可能會導(dǎo)致能量電容耦合到相鄰的印刷電路板走線。如果飛跨電容離器件較遠(yuǎn)（即環(huán)路面積較大），還可能會產(chǎn)生磁場。為防止電容能量轉(zhuǎn)移，可以使用法拉第屏蔽，即在敏感節(jié)點和 LTC3225/LTC3225 - 1 引腳之間設(shè)置一個接地的 PC 走線，并將其連接到延伸至 LTC3225/LTC3225 - 1 的實心接地平面。

典型應(yīng)用

高峰值功率負(fù)載的限流應(yīng)用

適用于 LED 閃光燈、PCMCIA 突發(fā)傳輸、硬盤驅(qū)動器突發(fā)操作、GPRS/GSM 發(fā)射器等需要高峰值功率但對電流有限制的應(yīng)用場景。

備用電源

可作為備用電源，為設(shè)備在主電源故障時提供臨時電力支持，確保設(shè)備的正常運行。

總結(jié)

LTC3225/LTC3225 - 1 超級電容器充電器以其低噪聲、自動電池平衡、可編程充電電流等特性，以及小巧的封裝和簡單的外部電路，成為了電子工程師在設(shè)計超級電容器充電電路時的理想選擇。無論是在高峰值功率負(fù)載的限流應(yīng)用中，還是作為備用電源，LTC3225/LTC3225 - 1 都能展現(xiàn)出卓越的性能。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇元件和進行電路板布局，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。大家在使用過程中遇到過哪些問題或者有什么獨特的應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享交流。