深入剖析LTC3128：高性能超級電容器充電器與平衡器

在電子設備的設計中，超級電容器作為一種重要的儲能元件，在備份電源、內存?zhèn)浞莸葢脠鼍爸邪l(fā)揮著關鍵作用。為了滿足超級電容器的高效充電和保護需求，Linear Technology推出了LTC3128這款3A單片降壓 - 升壓超級電容器充電器與平衡器。下面，我們就來詳細了解一下這款產(chǎn)品。

文件下載：LTC3128.pdf

一、LTC3128的關鍵特性

1. 精準的輸入電流限制

LTC3128具有±2%的精準平均輸入電流限制，可通過編程將其設置為最高3A。這一特性使得充電器能夠根據(jù)實際需求精確控制輸入電流，避免因電流過大對電源或電容器造成損害。通過放置從PROG到GND的電阻RPROG和電容CPROG，可以輕松設置輸入電流限制，計算公式為： [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。通過連接從MAXV到GND的單個電阻，可以對每個電容器的最大電壓進行設定，計算公式為： [R{MAXV }(k Omega)=50 cdot V{MAXV }(V)] 這一功能有助于保護電容器，防止過壓損壞，延長其使用壽命。

3. 主動電荷平衡功能

對于不匹配的電容器，LTC3128具備主動電荷平衡功能，能夠實現(xiàn)快速充電。它可以有效移動電荷，使電容器之間的電壓保持平衡，確保每個電容器的電壓都在安全范圍內。主動電荷平衡功能在VOUT達到穩(wěn)定狀態(tài)或其中一個電容器電壓超過最大編程值時啟動，以提高充電效率和電容器的長期可靠性。

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能夠適應多種不同的電源和負載條件。無論是高于、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)電流與關斷功能

在充電完成后，從VOUT汲取的靜態(tài)電流小于2μA。在關機狀態(tài)下，輸出斷開，靜態(tài)電流小于1μA，有效降低了功耗。通過將RUN引腳拉低至0.3V以下即可實現(xiàn)關機，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、熱增強型封裝（20引腳QFN和24引腳TSSOP）等，提供了完善的保護和監(jiān)測功能，同時優(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控制方式對輸出電容器進行充電。其專有的開關算法允許充電器在降壓和升壓模式之間無縫切換，而不會出現(xiàn)電感電流或環(huán)路特性的不連續(xù)性。當輸入電壓遠高于輸出電壓時，工作在降壓模式；當輸入電壓降低或輸出電壓升高時，逐漸過渡到升壓模式。

2. 控制環(huán)路

該充電器利用兩個控制環(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達到編程水平時將LTC3128置于低靜態(tài)電流睡眠狀態(tài)。同時，它還具有比例增益控制功能，可在VOUT接近穩(wěn)定狀態(tài)時減小充電電流，防止因大充電電流和高等效串聯(lián)電阻（ESR）電容器導致的睡眠狀態(tài)切換抖動。電流環(huán)路則通過內部補償，將輸入電流強制控制在編程的輸入電流限制范圍內。

3. 電流限制操作

具備三種電流限制電路：準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內部50mΩ的檢測電阻測量從電源汲取的輸入電流，并將其限制在編程值內。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到6.5A（典型值）時，會立即關閉開關A和C，打開開關B和D。

4. 其他功能

零電流比較器可監(jiān)測輸出電感電流，當電流降至約30mA時關閉所有功率開關，防止電感電流極性反轉，提高輕載效率。此外，還具備熱關斷、熱調節(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、應用信息與設計要點

1. 輸出電壓編程

輸出電壓通過電阻分壓器進行設置，公式為： [V{OUT }(V)=0.58 V cdot(1+R 2 / R 1)] 同時，編程的最大電容電壓會影響可編程的最大輸出電壓，計算公式為： [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)] 在設計時，可使用較大的電阻值來最小化輸出泄漏。

2. 電感器選擇

為實現(xiàn)高效率，應選擇低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，同時應選用高頻鐵氧體磁芯電感材料以降低頻率相關的功率損耗。

3. 輸入電容器選擇

為降低輸入電壓紋波，應使用至少10μF的低等效串聯(lián)電阻（ESR）多層陶瓷電容器來旁路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設計用于為總輸出電容值大于2mF的超級電容器充電。為防止因電容器ESR引起的電壓階躍導致睡眠狀態(tài)的切換抖動，在VOUT充電周期的最后5%，充電器會降低充電電流。最大推薦的ESR可通過以下公式計算： [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，應盡量減小布局對電容器ESR的影響，可使用多層陶瓷電容器作為輸出去耦電容。

5. 脈沖輸出負載

對于脈沖負載應用，可使用較大的輸出電容來減小LTC3128所需的電流。最大負載和最小電容可通過以下公式計算： [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 }}] 在選擇輸出超級電容器時，脈沖電流的大小和持續(xù)時間以及壓降電壓規(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、無噪聲的操作。同時，應遵循以下布局準則：

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

四、典型應用案例

1. USB 3.0供電的4.8V備份電源

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

2. 5.0V至3.3V轉換器，具備電源穿越能力

此應用中，LTC3128與其他轉換器配合使用，在超級電容器從5V放電至1.8V的過程中，為負載提供穩(wěn)定的3.3V輸出，充分利用了超級電容器中存儲的能量。

3. 帶二次轉換器的超級電容器備份電路

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

五、相關產(chǎn)品推薦

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

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