LTC3350：高性能超級電容備份控制器與系統(tǒng)監(jiān)控器解析

引言

在電子設備的設計中，備份電源的可靠性和高效性至關重要。ADI 的 LTC3350 作為一款高度集成的備份電源控制器和系統(tǒng)監(jiān)控器，為我們提供了一個強大的解決方案。它能夠對一到四個串聯(lián)的超級電容進行充電和監(jiān)控，適用于多種高電流、高可靠性的應用場景。接下來，我們就深入了解一下這款芯片的特點、工作原理以及應用設計要點。

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芯片特性

充電與能量利用

• 高效同步降壓充電：LTC3350 采用同步降壓控制器，可對一到四個串聯(lián)的超級電容進行恒流/恒壓充電，輸入電流限制可編程，能確保在輸入電源允許的最大電流下為超級電容充電。
• 升壓模式備份：在輸入電源故障時，同步控制器可反向作為升壓轉換器，將超級電容存儲的能量輸送到備份電源軌，實現(xiàn)高效的能量利用。

  監(jiān)控與保護

• 14 位 ADC 監(jiān)控：集成 14 位 ADC，可實時監(jiān)控系統(tǒng)電壓、電流、電容和 ESR 等參數(shù)，通過 I2C/SMBus 接口讀取數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供全面的狀態(tài)信息。
• 主動過壓保護：每個電容都配備了分流調節(jié)器，可防止過壓情況發(fā)生，同時內部主動平衡器消除了外部平衡電阻的需求，確保電容電壓均衡。

  電氣參數(shù)與封裝

• 寬輸入電壓范圍：輸入電壓 (V{IN}) 范圍為 4.5V 至 35V，每個電容的 (V{CAP(n)}) 最高可達 5V，充電/備份電流可達 10 + A，適用于多種電源環(huán)境。
• 緊湊封裝：采用 38 引腳 5mm × 7mm QFN 封裝，節(jié)省 PCB 空間，且具有 AEC - Q100 認證，可用于汽車應用。

工作原理

雙向開關控制器

• 降壓模式：當 (V_{IN}) 高于 PFI 閾值電壓時，同步控制器工作在降壓模式，對超級電容進行充電。充電過程中，先以恒定電流充電，直到超級電容達到由 CAPFB 伺服電壓和電阻分壓器確定的最大充電電壓。同時，輸入電流限制回路會根據(jù)輸入電源的能力自動調整充電電流，確保系統(tǒng)負載優(yōu)先得到滿足。
• 升壓模式：當 (V{IN}) 低于 PFI 閾值時，PFI 比較器使能升壓模式。(V{OUT}) 調節(jié)由 (V{OUT}) 和 OUTFB 之間的電阻分壓器設定。輸出理想二極管與升壓模式配合使用，當輸入電源移除時，超級電容通過輸出理想二極管為 (V{OUT}) 供電。當 OUTFB 電壓低于 1.3V 時，輸出理想二極管關閉，同步控制器開啟，將超級電容的電壓升壓到 (V_{OUT}) 所需的電壓。

  理想二極管

  LTC3350 具有兩個理想二極管控制器，驅動外部 N 溝道 MOSFET。輸入理想二極管防止超級電容在備份模式下反向驅動 (V{IN})，輸出理想二極管在輸入電源不可用時為 (V{OUT}) 提供供電路徑。理想二極管通過精密放大器驅動 MOSFET，使正向壓降保持在約 30mV，降低功率損耗。

  其他功能模塊

• 門驅動電源：底部門驅動器由 (DRV{CC}) 引腳供電，通常連接到 (INTV{CC}) 引腳，也可使用外部 LDO 供電以減少芯片內部的功率損耗。
• 欠壓鎖定：內部欠壓鎖定電路監(jiān)控 (INTV{CC}) 和 (DRV{CC}) 引腳，當 (INTV{CC}) 高于 4.3V 且 (DRV{CC}) 高于 4.2V 時，開關控制器開啟；當 (INTV{CC}) 低于 4V 或 (DRV{CC}) 低于 3.9V 時，控制器關閉。
• 輸入過壓保護：當 (V{IN}) 超過 38.6V 時，開關控制器關閉開關 MOSFET；當 (V{IN}) 低于 37.2V 時，控制器恢復開關操作。

應用設計要點

數(shù)字配置

在基本應用中，只需對分流電壓和電容電壓反饋參考進行編程。分流電壓可通過 vshunt 寄存器編程，默認值為 2.7V；電容電壓反饋參考默認值為 1.2V，可通過 vcapfb_dac 寄存器更改。其他數(shù)字功能如 ADC 自動運行并存儲轉換結果，電容和 ESR 測量可按需啟動并可設置重復測量周期。

電容配置

LTC3350 可與一到四個超級電容配合使用。若使用少于四個電容，未使用的 CAP 引腳必須連接到最高使用的 CAP 引腳，并通過 CAP_SLCT0 和 CAP_SLCT1 引腳編程電容數(shù)量。

電流設置

• 輸入電流：最大輸入電流由 VOUTSP 和 VOUTSN 引腳之間的電阻 (R{SNSI}) 決定，計算公式為 (I{IN(MAX)}=frac{32 mV}{R_{SNSI}})。
• 充電電流：最大充電電流由與電感串聯(lián)的感測電阻 (R{SNSC}) 決定，計算公式為 (I{CHG(MAX)}=frac{32 mV}{R_{SNSC}})。

  電壓設置

• (V_{CAP}) 電壓：通過外部反饋電阻分壓器設置，公式為 (V{CAP}=left(1+frac{R{FBC 1}}{R{FBC 2}}right) CAPFBREF)，其中 CAPFBREF 為 (V{CAP}) DAC 的輸出。
• (V_{OUT}) 電壓：在升壓模式下，通過 (V{OUT}) 和 OUTFB 之間的電阻分壓器設置，公式為 (V{OUT }=left(1+frac{R{F B 01}}{R{F B 02}}right) 1.2 V)。

  元件選擇

• 電感：電感的選擇與開關頻率相關，較高的開關頻率可使用較小的電感值，但會降低效率。對于 LTC3350，根據(jù) (V{IN}) 和 (V{CAP}) 的關系選擇合適的電感值，以確保電感紋波電流不超過最大充電電流的 25%。
• 電容：(V{OUT}) 電容在降壓模式下作為輸入，升壓模式下作為輸出，需根據(jù)備份電流和電壓紋波要求選擇合適的電容值。(V{CAP}) 電容用于過濾電感電流紋波，應選擇合適的電容值和類型，以確保電容電壓紋波在可接受范圍內。
• 功率 MOSFET：選擇外部 N 溝道功率 MOSFET 時，需考慮最大漏源電壓、閾值電壓、導通電阻、反向傳輸電容、總柵極電荷和最大連續(xù)漏極電流等參數(shù)。
• 肖特基二極管：可選的肖特基二極管可與 MOSFET 并聯(lián)，防止 MOSFET 體二極管導通，提高效率。但需注意二極管的額定電流和反向擊穿電壓。

PCB 布局

PCB 布局對芯片的性能至關重要。應確保 MOSFET、肖特基二極管和 (V{OUT}) 電容組成的高 di/dt 回路的走線短而寬，以減少高頻噪聲和電壓應力。接地技術要有效，避免開關電流路徑穿過 SGND 引腳和 LTC3350 芯片的暴露焊盤。同時，將 (V{CAP}) 和 (V_{OUT}) 分壓器靠近芯片放置，遠離開關元件，并采用 Kelvin 連接確保電流感測準確。

典型應用電路

文檔中給出了多個典型應用電路，如 25V 至 35V、6.4A 超級電容充電器，具有 2A 輸入電流限制和 28V、50W 備份模式；11V 至 20V、16A 超級電容充電器，具有 6.4A 輸入電流限制和 10V、60W 備份模式等。這些電路展示了 LTC3350 在不同電源和負載條件下的應用，為工程師提供了實際設計的參考。

相關產品

ADI 還提供了一系列相關的電源管理產品，如 LTC3128、LTC3226、LTC3355、LTC3625 和 LTC4110 等。這些產品在功能和應用場景上各有特點，可根據(jù)具體需求進行選擇。

總結

LTC3350 是一款功能強大、性能優(yōu)越的備份電源控制器和系統(tǒng)監(jiān)控器。它通過高效的充電和能量管理、全面的監(jiān)控和保護功能以及靈活的配置選項，為高電流、高可靠性的應用提供了可靠的解決方案。在設計過程中，工程師需要根據(jù)具體的應用需求，合理選擇元件、設置參數(shù)和進行 PCB 布局，以充分發(fā)揮 LTC3350 的性能優(yōu)勢。你在實際應用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。