LTC3225/LTC3225 - 1：高性能超級(jí)電容器充電器的卓越之選

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，超級(jí)電容器充電器的性能對(duì)于設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。今天，我們來(lái)深入了解一下 Linear Technology 公司的 LTC3225/LTC3225 - 1 超級(jí)電容器充電器，看看它有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景。

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產(chǎn)品概述

LTC3225/LTC3225 - 1 是可編程的超級(jí)電容器充電器，能夠?qū)蓚€(gè)串聯(lián)的超級(jí)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(dú)特的自動(dòng)電池平衡功能可防止在充電過(guò)程中對(duì)任一超級(jí)電容器造成過(guò)壓損壞，且無(wú)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(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容器充電。這種方式能夠有效降低輸入噪聲，為對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用提供穩(wěn)定的電源。

自動(dòng)電池平衡

自動(dòng)電池平衡功能是 LTC3225/LTC3225 - 1 的一大亮點(diǎn)。在充電過(guò)程中，它能不斷監(jiān)測(cè)兩個(gè)超級(jí)電容器兩端的電壓，確保它們的電壓相等，從而防止過(guò)壓損壞，延長(zhǎng)電容器的使用壽命。

可編程充電電流

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

可選輸出電壓

LTC3225 每個(gè)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(shí)際需求進(jìn)行靈活配置。

自動(dòng)再充電與低功耗

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

無(wú)電感設(shè)計(jì)

采用無(wú)電感設(shè)計(jì)，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(duì)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(shí)，充電器開(kāi)始工作。內(nèi)部通過(guò)電阻分壓器和比較器感測(cè) Cout 引腳電壓，并與預(yù)設(shè)電壓閾值進(jìn)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(kāi)始工作，對(duì) Cout 進(jìn)行充電。每次電荷泵從關(guān)機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)部電荷泵的輸入電流以約 20mA/μs 的速度上升，直至達(dá)到由 RPROG 確定的水平。當(dāng)輸出電壓達(dá)到預(yù)設(shè)閾值后，內(nèi)部電荷泵關(guān)閉，進(jìn)入低電流狀態(tài)，此時(shí)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(dòng)電池平衡機(jī)制

由于超級(jí)電容器的制造公差，電容和泄漏電流可能會(huì)有所不同。LTC3225/LTC3225 - 1 在充電過(guò)程中會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)兩個(gè)超級(jí)電容器兩端的電壓。當(dāng)電壓相等時(shí)，兩個(gè)電容器以相等的電流充電；若其中一個(gè)電容器的電壓較低，則增加該電容器的充電電流，同時(shí)減少另一個(gè)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(gè)超級(jí)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(duì)電壓較高的電容器充電，直至電壓再次平衡，從而保護(hù)電容器免受過(guò)壓損壞。

關(guān)機(jī)模式

當(dāng) SHDN 引腳置為低電平時(shí)，LTC3225/LTC3225 - 1 進(jìn)入關(guān)機(jī)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(jí)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(shí)，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(guò) VSEL 輸入引腳，用戶可以輕松設(shè)置輸出閾值電壓。對(duì)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(duì)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(kāi)漏輸出狀態(tài)指示器。啟動(dòng)時(shí)，該引腳保持低電平，直到輸出電壓 Vout 達(dá)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(hù)

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

應(yīng)用信息

編程充電電流

充電電流可通過(guò)將 PROG 引腳連接到地的單個(gè)電阻進(jìn)行編程。程序電阻和輸入/輸出充電電流可通過(guò)以下公式計(jì)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(shí)，LTC3225/LTC3225 - 1 將進(jìn)入過(guò)流關(guān)機(jī)模式，保護(hù)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(shí)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(guò)以下公式計(jì)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(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)電流可以忽略不計(jì)，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(shí)，測(cè)量效率為 71.2%，與理論計(jì)算的 73.6% 非常接近。

有效開(kāi)環(huán)輸出電阻

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

充電時(shí)間估算

當(dāng)兩個(gè)超級(jí)電容器兩端的初始電壓相等時(shí)，估算充電時(shí)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(jì)算公式為： [I{OUT}=frac{1800V}{R{PROG}}] 當(dāng)充電過(guò)程開(kāi)始時(shí)，若超級(jí)電容器兩端的初始電壓不相等，只有電壓較低的電容器會(huì)先充電，另一個(gè)電容器在電壓相等后才開(kāi)始充電，這會(huì)稍微延長(zhǎng)充電時(shí)間。在最壞的情況下，由于泄漏電流嚴(yán)重不匹配，一個(gè)電容器完全耗盡，而另一個(gè)仍保持充滿電狀態(tài)，充電時(shí)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(huì)有較大的功率耗散。當(dāng)結(jié)溫超過(guò)約 150°C 時(shí)，熱關(guān)斷電路會(huì)自動(dòng)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(pán)（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(guò)一個(gè)非常小的串聯(lián)電感為 LTC3225/LTC3225 - 1 供電，如 10nH 的電感，可進(jìn)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?yàn)樵?LTC3225/LTC3225 - 1 啟動(dòng)時(shí)，其電壓可能會(huì)反轉(zhuǎn)。為實(shí)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(shí)，有效電容會(huì)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(huì)損失大量電容。在比較不同電容器時(shí)，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(jiàn)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(kāi)關(guān)頻率和高瞬態(tài)電流，為實(shí)現(xiàn)最佳性能，需要精心設(shè)計(jì)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?？斓纳仙拖陆禃r(shí)間，這些引腳上的高 dV/dt 值可能會(huì)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(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。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(diǎn)和 LTC3225/LTC3225 - 1 引腳之間設(shè)置一個(gè)接地的 PC 走線，并將其連接到延伸至 LTC3225/LTC3225 - 1 的實(shí)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(pán)驅(qū)動(dòng)器突發(fā)操作、GPRS/GSM 發(fā)射器等需要高峰值功率但對(duì)電流有限制的應(yīng)用場(chǎng)景。

備用電源

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

總結(jié)

LTC3225/LTC3225 - 1 超級(jí)電容器充電器以其低噪聲、自動(dòng)電池平衡、可編程充電電流等特性，以及小巧的封裝和簡(jiǎn)單的外部電路，成為了電子工程師在設(shè)計(jì)超級(jí)電容器充電電路時(shí)的理想選擇。無(wú)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(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇元件和進(jìn)行電路板布局，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。