線性科技LTC4425：超級電容充電器的卓越之選

在電子設(shè)備中，超級電容作為一種儲能元件，具有充電速度快、壽命長、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高功率脈沖應(yīng)用、備用電源等領(lǐng)域。而如何高效、安全地為超級電容充電，成為了電子工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。線性科技（Linear Technology）推出的LTC4425線性充電器，為兩串超級電容的充電提供了一種優(yōu)秀的解決方案。

文件下載：LTC4425.pdf

LTC4425功能特性

理想二極管與智能充電

• 從 (V{IN}) 到 (V{OUT}) 具有極低50mΩ導(dǎo)通電阻，如同理想二極管，適用于高尖峰功率、低平均功率的應(yīng)用場景。
• 智能充電電流曲線可限制浪涌電流，避免在充電初期對電源和電容造成過大沖擊。

內(nèi)部平衡與可編程特性

• 內(nèi)置電池平衡電路，無需外部電阻即可實(shí)現(xiàn)對兩串超級電容的電壓平衡，簡化了電路設(shè)計(jì)。
• 輸出電壓可編程（LDO模式），可根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整充電電壓。同時，還能對 (V{IN}) 到 (V{OUT}) 的電流進(jìn)行限制和編程。

低功耗與保護(hù)功能

• 靜態(tài)電流僅20μA，在關(guān)機(jī)模式下電流小于3μA，有效降低了功耗。
• 具備 (V_{IN}) 電源故障、PGOOD 指示燈，方便實(shí)時監(jiān)控電源狀態(tài)。
• 提供2.45V/2.7V 電池保護(hù)分流功能，最大可將超級電容充電至4.9V/5.4V。
• 擁有3A 峰值電流限制和熱限制功能，確保在各種情況下都能安全可靠地工作。

封裝小巧

采用3mm × 3mm × 0.75mm DFN 和12引腳 MSOP 封裝，節(jié)省了電路板空間，適合對尺寸要求較高的應(yīng)用。

工作模式

LDO模式

在LDO模式下，通過外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)（(R{FB1}) 和 (R{FB2})）經(jīng)FB引腳對輸出電壓 (V{OUT}) 進(jìn)行編程，同時通過外部電阻 (R{PROG}) 經(jīng)PROG引腳對充電電流進(jìn)行編程。充電開始時，恒流放大器控制，將PROG引腳電壓伺服到1V；當(dāng)輸出電壓接近編程值時，恒壓放大器接管，調(diào)整充電電流以保持FB引腳電壓等于1.2V的內(nèi)部參考電壓。

充電電流曲線模式（正常模式）

當(dāng)FB引腳短接到輸入電壓 (V{IN}) 時，進(jìn)入此模式。恒壓放大器內(nèi)部禁用，充電電流仍由外部 (R{PROG}) 電阻編程。當(dāng)輸入 - 輸出電壓差（(V{IN}-V{OUT})）大于750mV時，充電器提供1/10的編程充電電流，以限制芯片內(nèi)的功耗；隨著電壓差減小，充電電流線性增加，當(dāng) (V{OUT}) 接近 (V{IN}) 至250mV以內(nèi)時達(dá)到全編程值；當(dāng) (V_{OUT}) 進(jìn)一步上升，充電器FET進(jìn)入三極管（歐姆）區(qū)域，充電電流逐漸下降。

關(guān)鍵電路功能

理想二極管控制器

當(dāng)輸入 - 輸出壓差接近15mV時，理想二極管控制器接管控制，通過拉高充電器FET的柵極來維持FET兩端15mV的壓差，防止超級電容向電源反向充電。

熱調(diào)節(jié)功能

當(dāng)芯片溫度因內(nèi)部功耗接近105°C時，熱調(diào)節(jié)器會自動降低充電電流，將芯片溫度限制在約105°C，保護(hù)芯片和外部元件，同時允許用戶在不損壞芯片的前提下充分發(fā)揮電路板的功率處理能力。

電壓鉗位電路

可將超級電容兩端的電壓限制在最大允許電壓 (V{CLAMP})，通過SEL引腳選擇2.45V或2.7V的預(yù)設(shè)電壓。當(dāng)電容電壓接近 (V{CLAMP}) 時，跨導(dǎo)放大器會線性減小充電電流；當(dāng)電容電壓達(dá)到 (V_{CLAMP}) 時，相應(yīng)的分流晶體管導(dǎo)通，釋放多余電荷；當(dāng)電容電壓降低50mV時，分流晶體管關(guān)閉，恢復(fù)正常充電。

漏電平衡電路

內(nèi)部漏電平衡放大器將 (V{MID}) 引腳電壓伺服到輸出電壓 (V{OUT}) 的一半，處理超級電容因漏電流引起的輕微不匹配，無需外部平衡電阻。

短路電流限制

當(dāng)PROG引腳短路到地時，LTC4425將PROG引腳電流限制在約3mA，從而將最大充電電流限制在約3A。若超級電容接近其最大允許電壓，電流限制折返電路會將短路電流限制降低到約1/10。

電源狀態(tài)監(jiān)測

輸入電源故障比較器（PFC）通過PFI引腳監(jiān)測輸入電壓 (V{IN})，當(dāng) (V{IN}) 低于外部可編程閾值時，通過下拉開漏輸出 (overline{PFO}) 報(bào)告欠壓情況。

輸出狀態(tài)監(jiān)測

內(nèi)部比較器實(shí)時監(jiān)測輸出電壓 (V{OUT})，當(dāng) (V{OUT}) 在LDO模式下低于最終編程值的7.5% 或在充電電流曲線模式下低于 (V_{IN}) 超過250mV時，下拉PFO引腳報(bào)告電源故障；當(dāng)輸入和輸出電壓都正常且持續(xù)200ms以上時，PFO引腳變?yōu)楦咦杩梗硎倦娫凑！?/p>

應(yīng)用信息

參數(shù)編程

• 輸出電壓編程：在LDO模式下，可使用從 (V{OUT}) 引腳到地的電阻分壓器經(jīng)FB引腳對輸出電壓進(jìn)行編程，公式為 (V{OUT}=V{FB} cdot(1 + R{FB1} / R{FB2}))，其中 (V{FB}) 為1.2V。
• 輸入電壓閾值編程：使用從 (V_{IN}) 引腳到PFIRET引腳的電阻分壓器經(jīng)PFI引腳對電源故障狀態(tài)引腳PFO指示電源故障的輸入電壓閾值進(jìn)行編程，公式為 (V{IN},overline{PFO}=V{PFI} cdot(1 + R{PF1} / R{PF2}))，其中 (V{PFI}) 為1.2V。
• 充電電流編程：通過單個從PROG引腳到地的電阻對充電電流進(jìn)行編程，充電電流 (I{CHRG}) 與PROG引腳電流的關(guān)系為 (I{CHRG}=1000 cdot(1V / R{PROG}))，也可通過監(jiān)測PROG引腳電壓來確定充電電流，公式為 (I{CHRG}=1000 cdot(V{PROG} / R{PROG}))。

穩(wěn)定性考慮

在LDO模式下，連接至少0.2F的超級電容時，恒壓環(huán)路穩(wěn)定；斷開超級電容時，電壓環(huán)路需要至少10μF電容與500Ω電阻串聯(lián)以保持穩(wěn)定。在恒流模式下，PROG引腳電壓處于反饋環(huán)路中，應(yīng)盡量減小該引腳的電容，以確保充電器的穩(wěn)定性。

電路板布局考慮

為了在各種條件下都能提供最大充電電流，LTC4425的兩個封裝背面的暴露金屬焊盤必須與PCB板接地良好熱接觸。以DFN封裝為例，正確焊接到 (2500mm^{2}) 雙面1oz. 銅板上時，熱阻約為43°C/W；若未良好接觸，熱阻將遠(yuǎn)大于此值。

單電容充電

LTC4425也可用于為單個超級電容充電，只需將兩個串聯(lián)的匹配陶瓷電容（最小100μF）或兩個匹配的串聯(lián)電阻（約470k）與超級電容并聯(lián)即可。

典型應(yīng)用

LTC4425的典型應(yīng)用非常廣泛，涵蓋了從USB供電到汽車嵌入式備份控制等多個領(lǐng)域。例如：

• USB到高尖峰功率3.3V充電：可將USB 5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V為高尖峰功率負(fù)載供電。
• 3×AA堿性電池到高尖峰功率3.3V充電：利用3×AA堿性電池為3.3V高尖峰功率負(fù)載充電。
• 鋰離子高尖峰功率電池緩沖：為鋰離子電池提供緩沖，確保負(fù)載在高尖峰功率需求時能穩(wěn)定工作。
• 嵌入式汽車備份控制器：在汽車電子系統(tǒng)中，為關(guān)鍵控制器提供備用電源，確保系統(tǒng)在主電源故障時仍能正常工作。

總結(jié)

線性科技的LTC4425線性充電器以其豐富的功能特性、靈活的工作模式、完善的保護(hù)電路和廣泛的應(yīng)用場景，為電子工程師在超級電容充電設(shè)計(jì)方面提供了一個強(qiáng)大而可靠的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體需求合理選擇工作模式、編程參數(shù)，并注意電路板布局和穩(wěn)定性等問題，以充分發(fā)揮LTC4425的性能優(yōu)勢。你在使用LTC4425或其他類似充電器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。