探索LTC3226：2 節(jié)超級(jí)電容充電器的卓越性能與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作中，可靠且高效的電源管理解決方案至關(guān)重要。今天我們將深入探討 Linear Technology 公司的 LTC3226，一款集成了備用電源路徑控制器的 2 節(jié)串聯(lián)超級(jí)電容充電器，看看它如何在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

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產(chǎn)品特性概覽

LTC3226 擁有一系列令人矚目的特性，使其在同類產(chǎn)品中脫穎而出。它具備 1x/2x 多模式電荷泵超級(jí)電容充電器，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)電池平衡，確保每個(gè)電容都能得到恰當(dāng)?shù)某潆?。此外，其理?a target="_blank">二極管主電源路徑控制器（VIN 到 VOUT）以及內(nèi)部 2A LDO 備用電源（CPO 到 VOUT），為系統(tǒng)提供了可靠的電源切換和備用支持。自動(dòng)主/備用切換功能，使得在輸入電源出現(xiàn)問題時(shí)，能夠迅速切換到備用電源，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。該芯片的輸入電壓范圍為 2.5V 至 5.5V，可通過編程設(shè)置超級(jí)電容充電電壓和輸入電流限制（最大 315mA），并且在無負(fù)載情況下，IVIN 僅為 55μA（典型值），展現(xiàn)出了出色的低功耗特性。其采用的低外形、16 引腳 3mm × 3mm QFN 封裝，也為空間受限的應(yīng)用提供了便利。

典型應(yīng)用場(chǎng)景

LTC3226 的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了智能電表、電池供電的工業(yè)/醫(yī)療設(shè)備、3.3V 固態(tài)驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)報(bào)警器、數(shù)據(jù)備份電源以及電池備用電源等多個(gè)領(lǐng)域。這些應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電源的穩(wěn)定性和可靠性要求極高，而 LTC3226 正好能夠滿足這些需求。

詳細(xì)功能剖析

工作模式

LTC3226 具有正常和備用兩種工作模式。當(dāng) VIN 高于外部可編程的 PFI 閾值電壓時(shí)，芯片處于正常模式，此時(shí)電源從 VIN 通過外部 FET 流向 VOUT，內(nèi)部電荷泵持續(xù)對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行補(bǔ)充充電。而當(dāng) VIN 低于該閾值時(shí)，芯片進(jìn)入備用模式，內(nèi)部電荷泵關(guān)閉，外部 FET 關(guān)閉，LDO 開啟，利用超級(jí)電容存儲(chǔ)的電荷為負(fù)載供電。

電荷泵

電荷泵是 LTC3226 的核心組件之一，它是一個(gè)雙模式低噪聲恒頻（0.9MHz）調(diào)節(jié)的電荷泵，能夠?qū)㈦姾蓮?VIN 轉(zhuǎn)移并存儲(chǔ)到 CPO 引腳上的超級(jí)電容組中。CPO 引腳的目標(biāo)或終止電壓可通過 CPO_FB 引腳使用外部電阻分壓器進(jìn)行編程設(shè)置。充電器的輸入電流限制則通過 PROG 引腳與地之間的外部電阻進(jìn)行編程。在充電周期開始時(shí)，當(dāng) CPO 引腳電壓小于 VIN 時(shí)，電荷泵處于 1x 模式（線性模式），此時(shí)電荷泵作為一個(gè)通路元件，以編程設(shè)置的輸入電流限制對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電。當(dāng) CPO 電壓上升到接近輸入電源電壓 200mV 以內(nèi)時(shí)，電荷泵切換到 2x 模式（倍增器模式），平均充電電流約為輸入電流限制的一半。當(dāng) CPO 電壓超過目標(biāo)值約 1% 時(shí)，電荷泵開關(guān)關(guān)閉，進(jìn)入睡眠模式，以最小化靜態(tài)電流。當(dāng)超級(jí)電容因泄漏和內(nèi)部靜態(tài)電流負(fù)載而放電，導(dǎo)致 CPO 引腳電壓下降到編程電壓的 1% 以下時(shí)，電荷泵再次開啟，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，如此循環(huán)。電荷泵也可以通過將 EN_CHG 引腳拉低至 0.4V 以下來關(guān)閉，但默認(rèn)情況下，如果 EN_CHG 引腳浮空，電荷泵會(huì)通過內(nèi)部低電流上拉電路始終保持啟用狀態(tài)。

電壓鉗位

LTC3226 的電荷泵配備了電壓鉗位電路，可將電容組中任何超級(jí)電容的電壓限制在最大允許的預(yù)設(shè)電壓 2.65V。如果頂部電容（VMID - VCPO）的電壓在 CPO 引腳達(dá)到目標(biāo)電壓之前達(dá)到 2.65V，電荷泵將停止通過 CPO 引腳對(duì)電容組頂部進(jìn)行充電，切換到 1x 模式，并通過 VMID 引腳直接向底部電容提供電荷，直到電容組電壓達(dá)到其編程值。如果底部電容的電壓在電容組達(dá)到目標(biāo)值之前達(dá)到 2.65V，電荷泵將繼續(xù)通過 CPO 引腳向電容組頂部提供電荷，同時(shí)并聯(lián)穩(wěn)壓器開啟，將底部電容的電荷泄放掉，防止 VMID 引腳電壓進(jìn)一步上升。該并聯(lián)穩(wěn)壓器能夠分流最大允許的充電電流，約為 315mA（在 1x 模式下）。如果兩個(gè)電容的電壓都超過 2.65V，電荷泵將關(guān)閉大部分電路，進(jìn)入睡眠模式。

泄漏平衡器

泄漏平衡器是另一個(gè)重要的特性，它能夠?qū)?VMID 引腳電壓精確調(diào)節(jié)到 CPO 引腳電壓的一半。不過，它的源電流（約 4.5mA）和吸收電流（約 5.5mA）能力有限，主要用于處理由于泄漏電流導(dǎo)致的超級(jí)電容輕微不匹配問題，而不是糾正因缺陷導(dǎo)致的嚴(yán)重不匹配。只要輸入電源電壓高于 PFI 閾值，平衡器就會(huì)處于激活狀態(tài)，內(nèi)部平衡器的存在消除了對(duì)外部平衡電阻的需求。

CAPGOOD 狀態(tài)輸出

LTC3226 的電荷泵包含一個(gè)比較器，可通過 CAPGOOD 引腳上的開漏 NMOS 晶體管報(bào)告超級(jí)電容的狀態(tài)。在 CPO 引腳電壓上升到編程值的 7.5% 以內(nèi)之前，該引腳會(huì)被拉至地，一旦 CPO 引腳電壓超過此閾值，CAPGOOD 引腳就會(huì)變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。

PROG 引腳短路保護(hù)

為了確保芯片的安全性和可靠性，LTC3226 的電荷泵具備 PROG 引腳短路保護(hù)功能。通常情況下，電荷泵能夠提供的最大電流由 PROG 電阻設(shè)定，但如果 PROG 引腳因任何原因短路到地，或者用戶選擇的 PROG 電阻值遠(yuǎn)小于推薦值，電荷泵的輸入電流將被限制在內(nèi)部設(shè)定的約 600mA。同時(shí)，從 PROG 引腳能夠提供的最大電流也會(huì)被內(nèi)部電阻限制在小于 1mA。

低壓差穩(wěn)壓器（LDO）

LDO 是 LTC3226 的另一個(gè)主要電路組件，它能夠通過一個(gè)導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）約為 200mΩ 的通路元件，將超級(jí)電容組的功率傳輸?shù)?VOUT。該 LDO 的電流限制內(nèi)部設(shè)定為 4A。當(dāng)輸入電源電壓低于 PFI 閾值時(shí)，PFI 比較器會(huì)迅速開啟 LDO，以在不讓 VOUT 軌電壓下降過多的情況下為負(fù)載提供必要的電力。不過，為了防止通過理想二極管從輸入到超級(jí)電容的無限制電流流動(dòng)，在 CPO 電壓比 VIN 高約 100mV 之前，LDO 將保持關(guān)閉狀態(tài)。LDO 的輸出電壓可通過 LDO_FB 引腳使用外部電阻分壓器進(jìn)行編程設(shè)置。

電源故障（PFI）比較器

PFI 比較器能夠在輸入電壓 VIN 低于外部編程的閾值電壓時(shí)，將芯片從正常模式切換到備用模式。在備用模式下，只要超級(jí)電容中存儲(chǔ)了足夠的電荷，電荷泵就會(huì)關(guān)閉，LDO 將為負(fù)載供電。PFI 閾值電壓可通過 PFI 引腳使用外部電阻分壓器進(jìn)行編程設(shè)置。PFI 比較器的輸出還會(huì)驅(qū)動(dòng)一個(gè)開漏 NMOS 的柵極，通過 PFO 引腳報(bào)告狀態(tài)。在正常模式下，PFO 引腳為高阻抗?fàn)顟B(tài)，而在備用模式下，該引腳會(huì)被拉至地。

理想二極管控制器

理想二極管控制器能夠通過 GATE 引腳控制連接在輸入 VIN 和輸出 VOUT 之間的外部 PFET 的柵極。在正常工作條件下，這個(gè)外部 FET 構(gòu)成了從輸入到輸出的主要電源路徑。對(duì)于非常輕的負(fù)載，控制器會(huì)在 FET 的輸入和輸出電壓之間保持 15mV 的壓差。當(dāng) VIN 突然下降到低于 VOUT 時(shí)，控制器會(huì)迅速完全關(guān)閉 FET，以防止從 VOUT 反向傳導(dǎo)回輸入電源。

復(fù)位比較器

復(fù)位比較器會(huì)在所有工作模式下通過 RST_FB 引腳監(jiān)視 VOUT，并通過 RST 引腳上的開漏 NMOS 晶體管報(bào)告狀態(tài)。在任何時(shí)候，如果 VOUT 從其編程值下降 7.5%，它會(huì)幾乎立即將 RST 引腳拉低。然而，在上升沿時(shí)，比較器會(huì)在 VOUT 越過閾值后等待 290ms，然后才將 RST 引腳設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)。

全局熱關(guān)斷

為了防止芯片因過熱而損壞，LTC3226 包含一個(gè)全局熱關(guān)斷功能。當(dāng)芯片溫度超過 152°C 時(shí)，該功能會(huì)關(guān)閉整個(gè)芯片，而當(dāng)溫度下降約 15°C 至約 137°C 時(shí)，芯片將恢復(fù)正常運(yùn)行。

應(yīng)用信息

編程設(shè)置

在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要對(duì) LTC3226 的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行編程設(shè)置。超級(jí)電容終止電壓（CPO）可通過 CPO_FB 引腳使用電阻分壓器在 2.5V 至 5.3V 之間進(jìn)行編程設(shè)置。充電器的輸入電流限制可通過將單個(gè)電阻連接在 PROG 引腳和地之間進(jìn)行編程，輸入電流限制通常是 PROG 引腳輸出電流的 10,500 倍。電源故障比較器的輸入電壓閾值可通過 PFI 引腳使用電阻分壓器進(jìn)行編程設(shè)置，為了實(shí)現(xiàn)從正常模式到備用模式的平穩(wěn)過渡，PFI 閾值應(yīng)設(shè)置為比編程的 LDO 輸出電壓 VOUT 高 50mV 至 100mV。LDO 輸出電壓可通過 LDO_FB 引腳使用電阻分壓器在 2.5V 至 5.3V 之間進(jìn)行編程設(shè)置，復(fù)位比較器的閾值也可通過 RST_FB 引腳使用電阻分壓器進(jìn)行編程設(shè)置。

其他注意事項(xiàng)

電荷泵的有效開環(huán)輸出電阻（ROL）是衡量電荷泵強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)，其值取決于多個(gè)因素，如振蕩器頻率（fosc）、飛跨電容的值（CFLY）、非重疊時(shí)間、內(nèi)部開關(guān)電阻（RS）以及外部電容的 ESR 等。在選擇 LDO 輸出電容時(shí)，為了防止在 VIN 下降到低于編程的 PFI 閾值時(shí)，VOUT 電壓下降過多，建議在 VOUT 端子處使用一個(gè) 47μF 的陶瓷電容。此外，LTC3226 還可以用于對(duì)單個(gè)超級(jí)電容進(jìn)行充電，只需將兩個(gè)串聯(lián)連接的匹配陶瓷電容（最小電容值為 100μF）與超級(jí)電容并聯(lián)即可。在電路板布局方面，由于 LTC3226 電荷泵會(huì)產(chǎn)生高開關(guān)頻率和高瞬態(tài)電流，因此需要精心設(shè)計(jì)電路板布局，以確保最佳性能。一個(gè)真正的接地平面以及與所有外部電容的短連接將有助于提高性能。同時(shí)，為了在所有條件下都能從 LDO 提供最大負(fù)載電流，QFN 封裝背面的暴露金屬焊盤與 PC 板接地平面之間的良好熱接觸至關(guān)重要，缺乏適當(dāng)?shù)臒峤佑|可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫超過熱關(guān)斷閾值。

總結(jié)

總的來說，LTC3226 是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的 2 節(jié)超級(jí)電容充電器，它的多種特性和靈活的編程設(shè)置使其能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體需求對(duì)其進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置和電路板布局，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。你在使用類似芯片時(shí)遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。