探索LTC3108-1：超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器與電源管理器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，能源收集和管理技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。特別是在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景中，如遠(yuǎn)程傳感器、工業(yè)無(wú)線傳感等，需要從極低的輸入電壓源中獲取能量并進(jìn)行有效管理。Linear Technology的LTC3108-1超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器和電源管理器，就是這樣一款能夠滿足這些需求的優(yōu)秀產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3108-1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TEGs、熱電偶堆和小型太陽(yáng)能電池）收集和管理多余能量而設(shè)計(jì)。它具有以下顯著特點(diǎn)：

1. 超低輸入電壓工作：能夠從低至20mV的輸入電壓?jiǎn)?dòng)，這使得它可以利用一些微弱的能量源，如微小的溫度差產(chǎn)生的電壓。
2. 完整的能量收集電源管理系統(tǒng)：提供可選擇的輸出電壓（2.5V、3V、3.7V或4.5V），還帶有2.2V的LDO輸出，可用于為外部微處理器供電。
3. 多種功能輸出：具有邏輯控制輸出、備用能量輸出和電源良好指示器，方便系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)。
4. 緊湊的封裝：采用小型的12引腳（3mm × 4mm）DFN或16引腳SSOP封裝，節(jié)省電路板空間。

二、電氣特性

1. 啟動(dòng)電壓和輸入電流

使用1:100變壓器匝數(shù)比時(shí)，最小啟動(dòng)電壓低至20mV，無(wú)負(fù)載輸入電流僅為3mA（VIN = 20mV，VOUT2_EN = 0V）。

2. 輸出電壓和電流

輸出電壓可通過(guò)VS1和VS2引腳進(jìn)行編程選擇，有2.5V、3V、3.7V和4.5V四種可選。輸出電流方面，VOUT電流限制為2.8 - 7mA，VSTORE電流限制為2.8 - 7mA，VOUT2電流限制為0.15 - 0.45A。

3. 其他特性

LDO輸出電壓穩(wěn)定在2.2V，負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)性能良好。PGD引腳用于指示VOUT電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)，方便系統(tǒng)判斷電源狀態(tài)。

三、工作原理

1. 振蕩器

LTC3108-1利用MOSFET開(kāi)關(guān)和外部升壓變壓器及小耦合電容形成諧振升壓振蕩器，將低至20mV的輸入電壓升高，以提供多個(gè)穩(wěn)壓輸出電壓。振蕩頻率由變壓器次級(jí)繞組的電感決定，通常在10kHz - 100kHz范圍內(nèi)。

2. 電荷泵和整流器

變壓器次級(jí)繞組產(chǎn)生的交流電壓通過(guò)外部電荷泵電容和內(nèi)部整流器進(jìn)行升壓和整流，為VAUX引腳提供電荷，進(jìn)而為其他輸出供電。

3. VAUX

VAUX為芯片內(nèi)部的有源電路供電，需用1μF電容進(jìn)行旁路。內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器將VAUX的最大電壓限制在5.25V，以防止過(guò)壓。

4. 電壓參考

芯片包含一個(gè)精密的微功率參考，用于精確調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)VAUX超過(guò)2V時(shí)，該參考開(kāi)始工作。

5. 同步整流器

當(dāng)VAUX超過(guò)2V時(shí)，與內(nèi)部二極管并聯(lián)的同步整流器接管輸入電壓的整流工作，提高效率。

6. 低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）

LTC3108-1內(nèi)置一個(gè)低電流LDO，提供2.2V的穩(wěn)壓輸出，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，需要2.2μF陶瓷電容以保證穩(wěn)定性。

7. VOUT

VOUT的主輸出電壓由VAUX供電，并可通過(guò)VS1和VS2引腳編程選擇四種穩(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(shí)，充電電流將被啟用；當(dāng)VOUT達(dá)到規(guī)定值時(shí)，充電電流關(guān)閉。

8. PGOOD

電源良好比較器監(jiān)測(cè)VOUT電壓，PGD引腳為開(kāi)漏輸出，通過(guò)1MΩ電阻上拉至LDO電壓。當(dāng)VOUT充電至其穩(wěn)壓電壓的7.5%以內(nèi)時(shí)，PGD輸出高電平；當(dāng)VOUT下降超過(guò)其穩(wěn)壓電壓的9%時(shí)，PGD輸出低電平。

9. VOUT2

VOUT2是一個(gè)可由主機(jī)通過(guò)VOUT2_EN引腳控制開(kāi)關(guān)的輸出。啟用時(shí)，通過(guò)1.3Ω P溝道MOSFET開(kāi)關(guān)連接到VOUT，可用于為外部電路（如傳感器和放大器）供電。

10. VSTORE

VSTORE輸出可在VOUT達(dá)到穩(wěn)壓后為大型存儲(chǔ)電容或可充電電池充電。當(dāng)輸入源丟失或無(wú)法提供足夠電流時(shí)，存儲(chǔ)元件可用于為系統(tǒng)供電。

四、應(yīng)用信息

1. 輸入電壓源

LTC3108-1可從多種低輸入電壓源獲取能量，如Peltier電池、光伏電池或熱電偶堆發(fā)電機(jī)。不同的輸入源具有不同的特性，需要根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的變壓器匝數(shù)比和電容值。

Peltier電池（熱電發(fā)生器）

Peltier電池在兩個(gè)極板存在溫度差時(shí)會(huì)產(chǎn)生直流輸出電壓，LTC3108-1的低電壓能力使其能夠在溫度差低至1°C的情況下工作，適用于從兩個(gè)表面或表面與環(huán)境溫度之間的溫差中收集能量。

熱電堆發(fā)電機(jī)

熱電堆發(fā)電機(jī)由多個(gè)串聯(lián)的熱電偶組成，常用于燃?xì)馊紵鲬?yīng)用中，可產(chǎn)生數(shù)百毫伏的直流輸出。由于其輸出電壓較高，可使用較低的變壓器匝數(shù)比。

光伏電池

LTC3108-1轉(zhuǎn)換器可在其他低輸入電壓升壓轉(zhuǎn)換器無(wú)法工作的低光照水平下，從單個(gè)光伏電池獲取能量。但光伏電池的性能受光照條件、電池類型等多種因素影響，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的電池。

2. 組件選擇

升壓變壓器

變壓器匝數(shù)比決定了轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)輸入電壓，1:100的匝數(shù)比可實(shí)現(xiàn)低至20mV的啟動(dòng)電壓。變壓器繞組的直流電阻和電感會(huì)影響性能，推薦的諧振頻率在10kHz - 100kHz范圍內(nèi)。

C1電容

連接在變壓器次級(jí)繞組和C1引腳之間的電荷泵電容會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的輸入電阻和最大輸出電流能力。在使用1:100匝數(shù)比的變壓器和極低輸入電壓時(shí)，建議使用最小1nF的電容。

VOUT和VSTORE電容

對(duì)于脈沖負(fù)載應(yīng)用，VOUT電容的大小應(yīng)根據(jù)負(fù)載電流、負(fù)載脈沖持續(xù)時(shí)間和電路允許的電壓降來(lái)確定。VSTORE電容可用于在輸入電源丟失時(shí)提供能量支持，其大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的具體需求進(jìn)行計(jì)算。

五、典型應(yīng)用

1. Peltier供電的遠(yuǎn)程傳感器能量收集器

利用Peltier電池產(chǎn)生的微小電壓，通過(guò)LTC3108-1為遠(yuǎn)程傳感器提供電源。這種應(yīng)用適用于需要長(zhǎng)期穩(wěn)定供電的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。

2. 太陽(yáng)能電池供電的超級(jí)電容充電器和LDO

使用太陽(yáng)能電池為超級(jí)電容充電，并通過(guò)LTC3108-1的LDO為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。在光照條件較好的環(huán)境中，這種應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)高效的能量收集和管理。

3. 熱電堆發(fā)電機(jī)供電的雙輸出轉(zhuǎn)換器和LDO

熱電堆發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓通過(guò)LTC3108-1轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電壓，為系統(tǒng)中的不同電路供電。適用于對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

六、總結(jié)

LTC3108-1作為一款優(yōu)秀的超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器和電源管理器，為電子工程師在能源收集和管理領(lǐng)域提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。它的超低輸入電壓工作能力、豐富的功能輸出和緊湊的封裝，使其在遠(yuǎn)程傳感器、工業(yè)無(wú)線傳感、自動(dòng)計(jì)量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇輸入電壓源、組件參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和效率。你在使用LTC3108-1的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。