LTC3109：超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器與電源管理器的卓越之選

在電子設(shè)計領(lǐng)域，對于從極低輸入電壓源中收集和管理能源的需求日益增長。特別是在無線傳感器、工業(yè)監(jiān)控等應(yīng)用中，傳統(tǒng)的電池供電方式可能并不適用，因此需要高效的能源收集解決方案。Linear Technology的LTC3109超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器與電源管理器就是這樣一款出色的產(chǎn)品，它為這些應(yīng)用提供了強大而靈活的能源管理能力。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3109是一款高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器，專為從極低輸入電壓源（如熱電發(fā)生器（TEG）和熱電堆）中收集多余能量而設(shè)計。其獨特的自動極性拓撲結(jié)構(gòu)允許它在低至±30mV的輸入電壓下工作，無論輸入電壓的極性如何。這一特性使得LTC3109在溫度差可能為任意極性的TEG應(yīng)用中表現(xiàn)出色，能夠有效收集能量。

主要特性

1. 超低電壓工作：能夠從低至±30mV的輸入電壓中啟動，僅需TEG兩端溫差小于±1°C即可進行能量收集。
2. 自動極性架構(gòu)：專利的自動極性拓撲結(jié)構(gòu)，無需考慮輸入電壓的極性，提高了應(yīng)用的靈活性。
3. 完整的能量收集電源管理系統(tǒng)：提供可選的輸出電壓（2.35V、3.3V、4.1V或5V），內(nèi)置2.2V、5mA的LDO，具有邏輯控制輸出和能量存儲功能，可在電源中斷時維持系統(tǒng)運行。
4. 電源良好指示：通過PGOOD引腳指示主輸出是否處于穩(wěn)壓范圍內(nèi)，方便系統(tǒng)監(jiān)控。
5. 緊湊的升壓變壓器：使用小型的升壓變壓器，減小了整體尺寸。
6. 小封裝：提供20引腳（4mm × 4mm）QFN封裝或20引腳SSOP封裝，適合空間受限的應(yīng)用。

應(yīng)用領(lǐng)域

LTC3109的應(yīng)用非常廣泛，包括但不限于以下領(lǐng)域：

1. 遠程傳感器和無線設(shè)備供電：為無線傳感器節(jié)點、遠程監(jiān)控設(shè)備等提供穩(wěn)定的電源。
2. HVAC系統(tǒng)：在暖通空調(diào)系統(tǒng)中收集熱能，為傳感器和控制模塊供電。
3. 自動抄表：實現(xiàn)電表、水表等的自動抄表功能，無需頻繁更換電池。
4. 樓宇自動化：為樓宇自動化系統(tǒng)中的各種傳感器和執(zhí)行器供電。
5. 預(yù)測性維護：在工業(yè)設(shè)備的預(yù)測性維護中，為傳感器提供能源，實現(xiàn)實時監(jiān)測。
6. 工業(yè)無線傳感：滿足工業(yè)環(huán)境中無線傳感器的供電需求。

二、工作原理

諧振振蕩器

LTC3109利用MOSFET開關(guān)和外部升壓變壓器、小型耦合電容形成諧振升壓振蕩器。該振蕩器可以在任意極性的輸入電壓下工作，將低至30mV的輸入電壓升高到足以提供多個穩(wěn)壓輸出電壓的水平。振蕩頻率由變壓器次級繞組的電感決定，通常在10kHz至100kHz范圍內(nèi)。對于低至30mV的輸入電壓，建議使用匝數(shù)比約為1:100的變壓器；對于較高輸入電壓，匝數(shù)比可以降低。

電荷泵和整流器

變壓器次級繞組產(chǎn)生的交流電壓通過外部電荷泵電容（從次級繞組連接到C1A或C1B引腳）和LTC3109內(nèi)部的整流器進行升壓和整流。整流電路將電流饋入VAUX引腳，為外部VAUX電容和其他輸出提供電荷。

VAUX電源

LTC3109內(nèi)部的有源電路由VAUX供電，VAUX應(yīng)使用至少1μF的電容進行旁路。當(dāng)VAUX超過2.5V時，主輸出VOUT開始充電。內(nèi)部的有源分流調(diào)節(jié)器將VAUX的最大電壓限制在典型值5.25V，當(dāng)轉(zhuǎn)換器無負載或輸入源產(chǎn)生的功率超過負載需求時，將多余的電流分流到地。

電壓參考

LTC3109包含一個精密的微功耗參考源，用于準確調(diào)節(jié)輸出電壓。該參考源在VAUX超過2V時激活。

同步整流器

當(dāng)VAUX超過2V時，與每個內(nèi)部整流二極管并聯(lián)的同步整流器接管C1A和C1B引腳輸入電壓的整流工作，提高了效率。

低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）

LTC3109內(nèi)置一個低電流LDO，提供穩(wěn)定的2.2V輸出，用于為低功耗處理器或其他低功耗IC供電。LDO由VAUX或VOUT中較高的電壓供電，在VAUX充電到2.3V時即可激活，即使VOUT存儲電容仍在充電。LDO需要一個2.2μF的陶瓷電容來確保穩(wěn)定性，較大的電容值可以使用，但會增加所有輸出充電所需的時間。LDO輸出的電流限制至少為5mA。

VOUT主輸出

主輸出電壓VOUT由VAUX電源充電，并通過電壓選擇引腳VS1和VS2用戶編程為四個穩(wěn)壓電壓之一。當(dāng)輸出電壓略低于穩(wěn)壓值且VAUX大于2.5V時，充電電流將被啟用；當(dāng)VOUT達到合適的值時，充電電流關(guān)閉。VOUT的紋波通常小于20mV峰峰值。內(nèi)部可編程電阻分壓器由VS1和VS2控制，設(shè)定VOUT，無需使用易受噪聲干擾和電路板泄漏影響的高值外部電阻。

PGOOD電源良好指示

電源良好比較器監(jiān)控VOUT電壓。PGOOD引腳是一個開漏輸出，通過一個1MΩ的上拉電阻連接到LDO電壓。當(dāng)VOUT充電到其編程電壓的7.5%以內(nèi)時，PGOOD輸出變?yōu)楦唠娖?；?dāng)VOUT下降到其編程電壓的9%以下時，PGOOD變?yōu)榈碗娖健GOOD輸出用于驅(qū)動微處理器或其他芯片的I/O，不適合驅(qū)動高電流負載。

VOUT2可開關(guān)輸出

VOUT2是一個可以由主機通過VOUT2_EN引腳開啟和關(guān)閉的輸出。當(dāng)啟用時，VOUT2通過一個1Ω的P通道MOSFET開關(guān)連接到VOUT。這個輸出可以用于為外部電路（如傳感器和放大器）供電，這些電路沒有低功耗“睡眠”或關(guān)斷功能。通過最小化VOUT2上的去耦電容，可以實現(xiàn)更快的開關(guān)速度，減少脈沖時間和占空比。VOUT2具有限流電路，將峰值電流限制在典型值0.3A。

VSTORE能量存儲輸出

VSTORE輸出可用于為大型存儲電容或可充電電池充電。當(dāng)VOUT達到穩(wěn)壓后，VSTORE輸出將被允許充電到鉗位的VAUX電壓（典型值5.25V）。在輸入源丟失或無法提供VOUT、VOUT2和LDO輸出所需電流時，VSTORE上的存儲元件可以為系統(tǒng)供電。如果VAUX低于VSTORE，LTC3109將自動從存儲元件中吸取電流。需要注意的是，為大型存儲電容充電可能需要較長時間，具體取決于可用的輸入能量和VOUT、VLDO上的負載。

短路保護

LTC3109的所有輸出都具有電流限制功能，以防止對地短路。

三、應(yīng)用信息

輸入電壓源

LTC3109可以從多種低輸入電壓源（如Peltier電池（熱電發(fā)生器）或低電平交流源）中獲取能量。特定應(yīng)用所需的最小輸入電壓取決于變壓器匝數(shù)比、負載功率需求和電壓源的內(nèi)部直流電阻（ESR）。較低的ESR源允許在更低的輸入電壓下工作，并提供更高的輸出功率能力。

TEG負載匹配

LTC3109的輸入電阻（負載）范圍為2Ω至10Ω，具體取決于輸入電壓、變壓器匝數(shù)比以及C1A和C2A電容值。對于給定的匝數(shù)比，隨著輸入電壓下降，輸入電阻增加。這一特性使得LTC3109能夠優(yōu)化從具有幾歐姆源電阻的源（如典型的TEG）的功率傳輸。

單極性應(yīng)用

LTC3109還可以配置為從兩個獨立的單極性電壓源（如不同位置的兩個TEG）中獲取能量，或者使用單個升壓變壓器從單個單極性源中獲取能量。

元件選擇

1. 升壓變壓器：升壓變壓器的匝數(shù)比決定了轉(zhuǎn)換器啟動所需的最低輸入電壓。由于自動極性架構(gòu)，建議使用兩個相同的升壓變壓器，除非TEG兩端的溫度差在一個極性下明顯不同。使用1:100的初級 - 次級匝數(shù)比可以實現(xiàn)低至30mV的啟動電壓。其他影響性能的因素包括變壓器繞組的電阻和電感。較高的直流電阻會導(dǎo)致效率降低和啟動電壓升高。
2. 外部電荷泵整流器：LTC3109中的同步整流器針對低頻、低電流操作進行了優(yōu)化。對于諧振振蕩器頻率超過100kHz、變壓器匝數(shù)比小于1:20或C1A和C1B電容值大于68nF的應(yīng)用，建議使用外部電荷泵整流器（如1N4148或1N914或等效器件）。應(yīng)避免使用肖特基整流器，因為其低正向電壓會增加最小啟動電壓。
3. C1電容：連接從每個變壓器的次級繞組到相應(yīng)C1A和C1B引腳的電荷泵電容會影響轉(zhuǎn)換器的輸入電阻和最大輸出電流能力。在使用匝數(shù)比為1:100的變壓器從極低輸入電壓工作時，通常建議使用最小1nF的電容值。2.2nF至10nF的電容值可以在較高輸入電壓下提供更高的輸出電流，但較大的電容值在低輸入電壓或高電阻源的情況下可能會影響性能。對于較高輸入電壓和較低匝數(shù)比，可以增加C1電容的值以提高輸出電流能力。
4. C2電容：C2電容將C2A和C2B引腳連接到各自的變壓器次級繞組。對于大多數(shù)應(yīng)用，建議使用470pF的電容值。較小的電容值會提高最小啟動電壓，而較大的電容值會降低效率。
5. VOUT和VSTORE電容：對于脈沖負載應(yīng)用，VOUT電容的大小應(yīng)根據(jù)負載電流、負載脈沖持續(xù)時間和應(yīng)用可容忍的VOUT電壓降來確定。VSTORE電容可以是非常大的值（數(shù)千微法甚至法拉），用于在輸入電壓丟失時提供能量存儲。所有用于VOUT和VSTORE的電容應(yīng)具有低泄漏特性，以減少損耗和充電時間。

PCB布局指南

由于諧振轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率較低且功率水平較低，PCB布局不像許多其他DC/DC轉(zhuǎn)換器那樣關(guān)鍵。但仍需注意以下幾點：

1. 由于電路工作在極低的輸入電壓下，連接到VIN、變壓器初級以及LTC3109的SW、VIN和GND引腳的線路應(yīng)設(shè)計為最小化雜散電阻引起的電壓降，并能夠承載高達500mA的電流。
2. 由于LTC3109輸出的充電電流較低，應(yīng)盡量減少輸出電壓引腳的泄漏電流源。

四、設(shè)計示例

示例1：脈沖負載應(yīng)用中VOUT電容的計算

在無線傳感器/發(fā)射器等脈沖負載應(yīng)用中，負載在大部分時間處于低功耗睡眠狀態(tài)，僅在發(fā)射突發(fā)期間出現(xiàn)周期性的負載電流脈沖。VOUT上的儲能電容在發(fā)射脈沖期間支持負載，脈沖之間的長時間睡眠允許LTC3109積累能量并為電容充電。

假設(shè)VOUT設(shè)置為3.3V，發(fā)射脈沖期間允許的最大電壓降為10%（即0.33V），發(fā)射脈沖持續(xù)時間為5ms，脈沖期間的總平均電流需求為20mA。則VOUT所需的最小電容為： [C_{OUT }(mu F) geq frac{20 mA cdot 5 ms}{0.33 V}=303 mu F] 在這種情況下，可以使用標準值330μF的電容。

為了計算負載脈沖的最大發(fā)生速率，需要知道LTC3109 VOUT引腳在給定輸入電壓源下可用的充電電流。假設(shè)充電電流為150μA，VOUT和VLDO在睡眠狀態(tài)下的總電流消耗為17μA（包括電容泄漏），則最大發(fā)射速率為： [T=frac{330 mu F cdot 0.33 V}{150 mu A-17 mu A}=0.82 sec] 即每0.82秒可以支持一個20mA、持續(xù)5ms的發(fā)射脈沖。

示例2：平均充電電流的計算

在大多數(shù)脈沖負載應(yīng)用中，負載電流脈沖的持續(xù)時間、幅度和頻率是已知且固定的。此時，需要計算LTC3109支持平均負載所需的平均充電電流。

假設(shè)睡眠電流I?為5μA，脈沖期間的總負載電流IPULSE為100mA，負載脈沖持續(xù)時間tPULSE為5ms，脈沖周期T為1小時。則LTC3109所需的平均充電電流為： [I_{CHG} geq 5 mu A+frac{100 mA cdot 0.005 sec}{3600 sec}=5.14 mu A] 因此，如果LTC3109的輸入電壓允許它提供大于5.14μA的充電電流，該應(yīng)用可以支持每小時一次持續(xù)5ms、100mA的脈沖。

五、典型應(yīng)用電路

1. 能量收集器：從任意極性的小溫差中獲取能量

該應(yīng)用電路使用TEG作為輸入源，LTC3109將TEG產(chǎn)生的低電壓轉(zhuǎn)換為可用的輸出電壓，為無線傳感器和低功率無線電設(shè)備供電。

2. 鋰離子電池充電器和LDO：從低電平交流輸入工作

該電路利用LTC3109將低電平交流輸入轉(zhuǎn)換為合適的電壓，為鋰離子電池充電，并通過LDO提供穩(wěn)定的2.2V輸出。

3. 單極性能量收集器：為電池備份充電

該應(yīng)用使用單極性TEG作為輸入源，LTC3109將能量收集并存儲在電池中，為系統(tǒng)提供備用電源。

4. 雙輸入能量收集器：從兩個TEG中產(chǎn)生5V和2.2V輸出

該電路可以從兩個不同溫度的TEG中獲取能量，為系統(tǒng)提供5V和2.2V的輸出電壓。

六、總結(jié)

LTC3109是一款功能強大的超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器與電源管理器，具有自動極性架構(gòu)、完整的能量收集電源管理系統(tǒng)等諸多優(yōu)點。它能夠從極低輸入電壓源中高效收集能量，為各種低功耗應(yīng)用提供穩(wěn)定的電源。在實際設(shè)計中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求合理選擇元件，并注意PCB布局，以充分發(fā)揮LTC3109的性能。通過本文介紹的設(shè)計示例，工程師可以更好地理解如何在脈沖負載應(yīng)用中計算電容值和充電電流，從而實現(xiàn)優(yōu)化的設(shè)計。你在使用LTC3109的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。