LTC3625/LTC3625 - 1：高效雙電池超級(jí)電容器充電器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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，其充電管理至關(guān)重要。LTC3625/LTC3625 - 1 超級(jí)電容器充電器為我們提供了一種高效、可靠的解決方案。下面，我們就來詳細(xì)了解一下這款充電器的特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用注意事項(xiàng)。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3625/LTC3625 - 1 是一款可編程的超級(jí)電容器充電器，能夠?qū)蓚€(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容器從 2.7V 至 5.5V 的輸入電源充電至固定輸出電壓（4.8V/5.3V 或 4V/4.5V 可選）。它具有自動(dòng)電池平衡功能，可防止充電過程中電容器過壓，無需平衡電阻。該充電器具有高效率、高充電電流、低靜態(tài)電流和最少外部元件數(shù)量（一個(gè)電感器、一個(gè) (V_{IN}) 旁路電容器和一個(gè)編程電阻）的特點(diǎn)，非常適合小尺寸備份或高峰值功率系統(tǒng)。

二、產(chǎn)品特性

2.1 充電模式與效率

• 升降壓充電：能夠?qū)蓚€(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容器進(jìn)行高效的升壓/降壓充電。
• 自動(dòng)電池平衡：防止充電過程中電容器過壓，確保充電安全。
• 可編程充電電流：?jiǎn)坞姼衅鲿r(shí)可編程充電電流高達(dá) 500mA，雙電感器時(shí)可達(dá) 1A（(V_{IN}=2.7V) 至 5.5V）。

2.2 電壓調(diào)節(jié)與靜態(tài)電流

• 可選的每節(jié)電池調(diào)節(jié)電壓：LTC3625 可選 2.4V/2.65V 調(diào)節(jié)，LTC3625 - 1 可選 2V/2.25V 調(diào)節(jié)。
• 低無負(fù)載靜態(tài)電流：僅 23μA，關(guān)機(jī)時(shí) (I_{VIN}<1μA)。

2.3 封裝形式

采用低輪廓的 12 引腳 3mm × 4mm DFN 封裝，節(jié)省空間。

三、工作原理

3.1 整體架構(gòu)

LTC3625/LTC3625 - 1 包含一個(gè)內(nèi)部降壓轉(zhuǎn)換器（在 (V{IN}) 和 (V{MID}) 之間）和一個(gè)內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器（在 (V{MID}) 和 (V{OUT}) 之間）。降壓轉(zhuǎn)換器通過 PROG 引腳由用戶編程輸出電流，升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流典型值為 2A。

3.2 降壓轉(zhuǎn)換器

降壓轉(zhuǎn)換器通過切換降壓 PMOS 直到達(dá)到峰值電流限制，然后切換降壓 NMOS 直到達(dá)到谷值電流限制，以滯回方式調(diào)節(jié)電流。在單電感器應(yīng)用中，升壓 NMOS 與降壓 NMOS 配合使用以提高高電流時(shí)的效率。正向電流限制設(shè)定為 1.1 ? (I{BUCK})（典型值），谷值電流限制設(shè)定為 0.9 ? (I{BUCK})（典型值），自動(dòng)提供過流限制和反向電流限制保護(hù)。

3.3 升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)固定平均輸入電流為 2A（典型值），通過切換升壓 NMOS 直到達(dá)到 2.12A（典型值）的峰值電流限制，然后切換升壓 PMOS 直到達(dá)到 1.88A（典型值）的谷值電流限制，以滯回方式調(diào)節(jié)電流。在單電感器應(yīng)用中，降壓 NMOS 與升壓 NMOS 配合使用以提高效率。當(dāng) (V{MID}) 低于 (V{MID(GOOD)}) 滯后閾值（典型值 1.2V）時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器將被禁用。

3.4 單電感器和雙電感器操作

• 單電感器操作：當(dāng) CTL 引腳連接到 (V_{IN}) 時(shí)，LTC3625/LTC3625 - 1 以單電感器模式運(yùn)行。在這種模式下，同一個(gè)電感器用于降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的功率路徑，兩者不會(huì)同時(shí)運(yùn)行。
• 雙電感器操作：當(dāng) CTL 引腳連接到 GND 時(shí)，LTC3625/LTC3625 - 1 以雙電感器模式運(yùn)行。此時(shí)，兩個(gè)電感器分別用于降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的功率路徑，兩者可以同時(shí)運(yùn)行，大大減少總充電時(shí)間，但需要額外的電路板元件。

四、電氣特性

文檔中詳細(xì)列出了 LTC3625/LTC3625 - 1 的各項(xiàng)電氣特性，包括輸入電壓范圍、欠壓鎖定、充電器終止電壓、充電電流、峰值電流、谷值電流等參數(shù)。例如，輸入電壓范圍為 2.7V 至 5.5V，輸入欠壓鎖定（UVLO）典型值在不同 (V{SEL}) 條件下有所不同，充電器終止電壓根據(jù) (V{SEL}) 的不同可選 4.8V/5.3V 或 4V/4.5V 等。

由于文庫搜索暫時(shí)失敗，我們先繼續(xù)介紹應(yīng)用信息部分。在實(shí)際應(yīng)用中，了解這些電氣特性對(duì)于正確設(shè)計(jì)和使用該充電器至關(guān)重要。大家在設(shè)計(jì)時(shí)，是否會(huì)根據(jù)這些特性來選擇合適的工作模式和參數(shù)呢？

五、應(yīng)用信息

5.1 編程充電電流/最大輸入電流

通過將一個(gè)電阻連接在 PROG 引腳和地之間來編程 (C{BOT}) 充電電流。計(jì)算公式為 (R{PROG}=h{PROG} cdot frac{1.2V}{I{BUCK}})，其中 (h{PROG}=118,000)（典型值）。當(dāng) (R{PROG}) 小于 53.6k 時(shí)，LTC3625/LTC3625 - 1 將進(jìn)入過流保護(hù)模式，以 2.65A（典型值）充電。有效降壓輸入電流可通過公式 (I{VIN}=frac{I{BUCK}}{varepsilon{BUCK}} cdot frac{V{MID}}{V{IN}}) 計(jì)算，其中 (varepsilon{BUCK}) 為降壓轉(zhuǎn)換器效率。

5.2 輸出電壓編程

通過 (V_{SEL}) 輸入引腳，用戶可以將輸出閾值電壓設(shè)置為 4.8V/4.0V 或 5.3V/4.5V。在單電感器應(yīng)用中，芯片可將超級(jí)電容器平衡到彼此相差 50mV（典型值）以內(nèi)；在雙電感器應(yīng)用中，可平衡到相差 100mV（典型值）以內(nèi)。

5.3 熱管理

當(dāng)結(jié)溫超過約 150°C 時(shí)，熱關(guān)斷電路會(huì)自動(dòng)停用輸出。為降低最大結(jié)溫，建議將 DFN 封裝的暴露焊盤（引腳 13）連接到電路板兩層下的接地平面，以降低封裝和電路板的熱阻。

5.4 元件選擇

• (V_{IN}) 電容器選擇：建議使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的多層陶瓷電容器來旁路 (V_{IN})，以減少輸入電壓紋波。避免使用鉭和鋁電容器，因?yàn)樗鼈兊?ESR 較高。
• 電感器選擇：對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，推薦使用 3.3μH 的電感器。選擇具有低直流電阻和足夠直流電流額定值的電感器，以確保在正常操作期間不會(huì)飽和。
• 超級(jí)電容器選擇：LTC3625/LTC3625 - 1 設(shè)計(jì)用于充電每節(jié)大于 0.1F 的超級(jí)電容器。一般來說，較低電容的電池具有較高的 ESR，因此應(yīng)使用較低的充電電流。超級(jí)電容器單元的 ESR 不應(yīng)超過 (frac{100mV}{I_{BUCK}})。

5.5 印刷電路板布局注意事項(xiàng)

• 確保 LTC3625/LTC3625 - 1 封裝背面的暴露焊盤焊接到電路板接地，以降低熱阻。
• 輸入電容器、電感器和輸出旁路電容器應(yīng)盡可能靠近 LTC3625/LTC3625 - 1，并且在 IC 及其所有外部高頻組件下方應(yīng)有一個(gè)完整的接地平面。
• 減少電感器與 (C{BOT}) 正極端子之間以及 (V{OUT}) 引腳與 (C_{TOP}) 正極端子之間的電阻，以提高充電效率。

六、典型應(yīng)用

文檔中還列舉了一些典型應(yīng)用，如 450mA 充電電流 1 - 電感器應(yīng)用、太陽能供電的 SCAP 充電器（帶 MPPT）、5V 電源穿越和 12V 電源穿越等。這些應(yīng)用展示了 LTC3625/LTC3625 - 1 在不同場(chǎng)景下的實(shí)用性。

總之，LTC3625/LTC3625 - 1 超級(jí)電容器充電器為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分考慮其特性、工作原理和應(yīng)用注意事項(xiàng)，以確保系統(tǒng)的高效運(yùn)行。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似充電器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。