深入剖析LTC3128：高性能超級(jí)電容器充電器與平衡器

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，超級(jí)電容器作為一種重要的儲(chǔ)能元件，在備份電源、內(nèi)存?zhèn)浞莸葢?yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。為了滿足超級(jí)電容器的高效充電和保護(hù)需求，Linear Technology推出了LTC3128這款3A單片降壓 - 升壓超級(jí)電容器充電器與平衡器。下面，我們就來(lái)詳細(xì)了解一下這款產(chǎn)品。

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一、LTC3128的關(guān)鍵特性

1. 精準(zhǔn)的輸入電流限制

LTC3128具有±2%的精準(zhǔn)平均輸入電流限制，可通過(guò)編程將其設(shè)置為最高3A。這一特性使得充電器能夠根據(jù)實(shí)際需求精確控制輸入電流，避免因電流過(guò)大對(duì)電源或電容器造成損害。通過(guò)放置從PROG到GND的電阻RPROG和電容CPROG，可以輕松設(shè)置輸入電流限制，計(jì)算公式為： [R{PROG }(k Omega)=11 / I{LIMIT }(A)] [C{PROG }(pF) approx 1600 /left(R{PROG }(k Omega)right)]

2. 可編程的電容電壓上限

該充電器支持可編程的最大電容電壓限制。通過(guò)連接從MAXV到GND的單個(gè)電阻，可以對(duì)每個(gè)電容器的最大電壓進(jìn)行設(shè)定，計(jì)算公式為： [R{MAXV }(k Omega)=50 cdot V{MAXV }(V)] 這一功能有助于保護(hù)電容器，防止過(guò)壓損壞，延長(zhǎng)其使用壽命。

3. 主動(dòng)電荷平衡功能

對(duì)于不匹配的電容器，LTC3128具備主動(dòng)電荷平衡功能，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電。它可以有效移動(dòng)電荷，使電容器之間的電壓保持平衡，確保每個(gè)電容器的電壓都在安全范圍內(nèi)。主動(dòng)電荷平衡功能在VOUT達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或其中一個(gè)電容器電壓超過(guò)最大編程值時(shí)啟動(dòng)，以提高充電效率和電容器的長(zhǎng)期可靠性。

4. 寬輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為1.73V至5.5V，輸出電壓范圍為1.8V至5.5V，這使得LTC3128能夠適應(yīng)多種不同的電源和負(fù)載條件。無(wú)論是高于、低于還是等于輸出電壓的輸入電壓，它都能高效工作。

5. 低靜態(tài)電流與關(guān)斷功能

在充電完成后，從VOUT汲取的靜態(tài)電流小于2μA。在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，輸出斷開(kāi)，靜態(tài)電流小于1μA，有效降低了功耗。通過(guò)將RUN引腳拉低至0.3V以下即可實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)，拉高至1.2V以上則啟用IC操作。

6. 其他特性

還包括電源良好比較器、電源故障指示器、熱增強(qiáng)型封裝（20引腳QFN和24引腳TSSOP）等，提供了完善的保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)優(yōu)化了散熱性能。

二、工作原理分析

1. 充電操作

LTC3128采用固定頻率、平均輸入電流PWM控制方式對(duì)輸出電容器進(jìn)行充電。其專有的開(kāi)關(guān)算法允許充電器在降壓和升壓模式之間無(wú)縫切換，而不會(huì)出現(xiàn)電感電流或環(huán)路特性的不連續(xù)性。當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)高于輸出電壓時(shí)，工作在降壓模式；當(dāng)輸入電壓降低或輸出電壓升高時(shí)，逐漸過(guò)渡到升壓模式。

2. 控制環(huán)路

該充電器利用兩個(gè)控制環(huán)路：滯回電壓環(huán)路和電流環(huán)路。滯回電壓環(huán)路用于判斷輸出是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，并在VOUT達(dá)到編程水平時(shí)將LTC3128置于低靜態(tài)電流睡眠狀態(tài)。同時(shí)，它還具有比例增益控制功能，可在VOUT接近穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)減小充電電流，防止因大充電電流和高等效串聯(lián)電阻（ESR）電容器導(dǎo)致的睡眠狀態(tài)切換抖動(dòng)。電流環(huán)路則通過(guò)內(nèi)部補(bǔ)償，將輸入電流強(qiáng)制控制在編程的輸入電流限制范圍內(nèi)。

3. 電流限制操作

具備三種電流限制電路：準(zhǔn)確的平均輸入電流限制電路、線性電流限制電路和峰值電流限制電路。平均輸入電流限制電路通過(guò)內(nèi)部50mΩ的檢測(cè)電阻測(cè)量從電源汲取的輸入電流，并將其限制在編程值內(nèi)。線性電流限制電路通常將最大平均電感電流限制在5.0A，峰值電流限制電路在電感電流達(dá)到6.5A（典型值）時(shí)，會(huì)立即關(guān)閉開(kāi)關(guān)A和C，打開(kāi)開(kāi)關(guān)B和D。

4. 其他功能

零電流比較器可監(jiān)測(cè)輸出電感電流，當(dāng)電流降至約30mA時(shí)關(guān)閉所有功率開(kāi)關(guān)，防止電感電流極性反轉(zhuǎn)，提高輕載效率。此外，還具備熱關(guān)斷、熱調(diào)節(jié)、欠壓鎖定、電源故障指示、電源良好指示等功能，確保充電器在各種異常情況下的安全性和穩(wěn)定性。

三、應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 輸出電壓編程

輸出電壓通過(guò)電阻分壓器進(jìn)行設(shè)置，公式為： [V{OUT }(V)=0.58 V cdot(1+R 2 / R 1)] 同時(shí)，編程的最大電容電壓會(huì)影響可編程的最大輸出電壓，計(jì)算公式為： [V{OUT(MAX) }=2 cdotleft(V{MAXV }-440 mVright)left(-40^{circ} Cright. to left.125^{circ} Cright)] [V{OUT(MAX) }=2 cdotleft(V_{MAXV }-385 mVright)left(0^{circ} Cright. to left.85^{circ} Cright)] 在設(shè)計(jì)時(shí)，可使用較大的電阻值來(lái)最小化輸出泄漏。

2. 電感器選擇

為實(shí)現(xiàn)高效率，應(yīng)選擇低DCR（直流電阻）的電感器。電感器的飽和額定值必須大于最壞情況下的平均電感電流加上一半的紋波電流。電感電流紋波可根據(jù)以下公式計(jì)算： [Delta I{L, P-P, BUCK }(A)=frac{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}{V{IN} cdot L cdot 1.2}] [Delta I{L, P-P, BOOST }(A)=frac{V{I N}left(V{OUT }-V{I N}right)}{V{OUT } cdot L cdot 1.2}] 建議選擇2.2μH至4.7μH之間的電感值，同時(shí)應(yīng)選用高頻鐵氧體磁芯電感材料以降低頻率相關(guān)的功率損耗。

3. 輸入電容器選擇

為降低輸入電壓紋波，應(yīng)使用至少10μF的低等效串聯(lián)電阻（ESR）多層陶瓷電容器來(lái)旁路VIN、RSENS和RSENP引腳。電容值越大，輸入紋波越小。

4. 輸出電容器選擇

LTC3128設(shè)計(jì)用于為總輸出電容值大于2mF的超級(jí)電容器充電。為防止因電容器ESR引起的電壓階躍導(dǎo)致睡眠狀態(tài)的切換抖動(dòng)，在VOUT充電周期的最后5%，充電器會(huì)降低充電電流。最大推薦的ESR可通過(guò)以下公式計(jì)算： [left(R{ESR 1}+R{ESR 2}right)(Omega) cong frac{V{OUT }^{2}}{left(20 cdot V{IN} cdot I_{LIM} cdot etaright)}] 同時(shí)，應(yīng)盡量減小布局對(duì)電容器ESR的影響，可使用多層陶瓷電容器作為輸出去耦電容。

5. 脈沖輸出負(fù)載

對(duì)于脈沖負(fù)載應(yīng)用，可使用較大的輸出電容來(lái)減小LTC3128所需的電流。最大負(fù)載和最小電容可通過(guò)以下公式計(jì)算： [LOAD(MAX) (A)=frac{V{IN} cdot I{LIM} cdot eta}{D cdot V{OUT }}] [C{OUT (MIN )}(F)= left[I{PULSE }-left(frac{V{IN } cdot I{LIM } cdot eta}{V{OUT }}-I{STANDBY }right)right] cdot frac{D cdot t}{V{DROOP }}] 在選擇輸出超級(jí)電容器時(shí)，脈沖電流的大小和持續(xù)時(shí)間以及壓降電壓規(guī)格是決定因素。

6. PCB布局考慮

由于LTC3128在高頻率下切換大電流，因此PCB布局至關(guān)重要。建議使用具有大量銅層和接地層的四層PCB，以確保穩(wěn)定、無(wú)噪聲的操作。同時(shí)，應(yīng)遵循以下布局準(zhǔn)則：

• 使用整個(gè)電路下方的實(shí)心接地層。
• 將所有去耦電容放置在靠近LTC3128的位置。
• 在每個(gè)去耦電容的GND焊盤(pán)旁邊使用2至3個(gè)局部接地過(guò)孔。
• 在LTC3128的外露焊盤(pán)下方放置盡可能多的GND過(guò)孔。
• 在每個(gè)連接到地的組件旁邊放置一個(gè)局部GND過(guò)孔。
• 保持FB和MAXV節(jié)點(diǎn)的走線短，將分壓器電阻靠近引腳放置。

四、典型應(yīng)用案例

1. USB 3.0供電的4.8V備份電源

在該應(yīng)用中，LTC3128通過(guò)USB 3.0接口獲取電源，為負(fù)載提供4.8V的備份電源。通過(guò)設(shè)置合適的輸入電流限制和最大電容電壓，可確保超級(jí)電容器的安全充電和高效使用。

2. 5.0V至3.3V轉(zhuǎn)換器，具備電源穿越能力

此應(yīng)用中，LTC3128與其他轉(zhuǎn)換器配合使用，在超級(jí)電容器從5V放電至1.8V的過(guò)程中，為負(fù)載提供穩(wěn)定的3.3V輸出，充分利用了超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的能量。

3. 帶二次轉(zhuǎn)換器的超級(jí)電容器備份電路

在這個(gè)電路中，LTC3128僅從系統(tǒng)主負(fù)載消耗的3A輸入電流中獲取剩余電流，為負(fù)載提供備份電源。這種設(shè)計(jì)可以有效利用電源，提高系統(tǒng)的可靠性。

五、相關(guān)產(chǎn)品推薦

除了LTC3128，Linear Technology還提供了一系列相關(guān)產(chǎn)品，如LTC3225/LTC3225 - 1、LTC3226、LTC3625/LTC3625 - 1等，這些產(chǎn)品在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中具有各自的優(yōu)勢(shì)。例如，LTC3225/LTC3225 - 1適用于對(duì)噪聲要求較低的應(yīng)用，而LTC3625/LTC3625 - 1則具有更高的充電效率和更大的充電電流。

LTC3128以其精準(zhǔn)的電流限制、可編程的電壓上限、主動(dòng)電荷平衡等功能，為超級(jí)電容器的充電和保護(hù)提供了一種高效、可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理選擇外部元件和布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流討論。