LTC3225/LTC3225 - 1：高性能超级电容器充电器的卓越之选

在电子设备的设计中，超级电容器充电器的性能对于设备的稳定性和可靠性至关重要。今天，我们来深入了解一下 Linear Technology 公司的 LTC3225/LTC3225 - 1 超级电容器充电器，看看它有哪些独特的优势和应用场景。

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产品概述

LTC3225/LTC3225 - 1 是可编程的超级电容器充电器，能够将两个串联的超级电容器从低至 2.8V 到 5.5V 的输入电源充电至可选的固定输出电压（LTC3225 为 4.8V/5.3V，LTC3225 - 1 为 4V/4.5V）。其独特的自动电池平衡功能可防止在充电过程中对任一超级电容器造成过压损坏，且无需使用平衡电阻。

产品特性

低噪声与恒频充电

该充电器采用低噪声恒频充电方式，为两个串联的超级电容器充电。这种方式能够有效降低输入噪声，为对噪声敏感的应用提供稳定的电源。

自动电池平衡

自动电池平衡功能是 LTC3225/LTC3225 - 1 的一大亮点。在充电过程中，它能不断监测两个超级电容器两端的电压，确保它们的电压相等，从而防止过压损坏，延长电容器的使用寿命。

可编程充电电流

充电电流可通过外部电阻进行编程，最大可达 150mA，满足不同应用场景的需求。

可选输出电压

LTC3225 每个电池可选择 2.4V 或 2.65V 的调节电压，LTC3225 - 1 则可选择 2V 或 2.25V 的调节电压，用户可根据实际需求进行灵活配置。

自动再充电与低功耗

具备自动再充电功能，在待机模式下，输入电流仅为 20μA；当输入电源移除时，输出电流小于 1μA，有效降低功耗。

无电感设计

采用无电感设计，使得应用电路非常小巧，其 2mm × 3mm 的 DFN 封装，所有组件高度均小于 1mm，适合对空间要求较高的应用。

工作原理

正常充电周期

当 SHDN 引脚电压高于 1.3V 时，充电器开始工作。内部通过电阻分压器和比较器感测 Cout 引脚电压，并与预设电压阈值进行比较。若 Cout 引脚电压低于预设阈值，振荡器启用，典型频率为 0.9MHz，电荷泵开始工作，对 Cout 进行充电。每次电荷泵从关机状态启动时，内部电荷泵的输入电流以约 20mA/μs 的速度上升，直至达到由 RPROG 确定的水平。当输出电压达到预设阈值后，内部电荷泵关闭，进入低电流状态，此时从输入电源消耗的电流约为 20μA，从 Cout 汲取的电流约为 2μA。

自动电池平衡机制

由于超级电容器的制造公差，电容和泄漏电流可能会有所不同。LTC3225/LTC3225 - 1 在充电过程中会持续监测两个超级电容器两端的电压。当电压相等时，两个电容器以相等的电流充电；若其中一个电容器的电压较低，则增加该电容器的充电电流，同时减少另一个电容器的充电电流。充电电流最多可增减 50%，以平衡电容器两端的电压。若两个超级电容器的泄漏电流或电容不匹配严重，以至于改变充电电流不足以平衡它们的电压，充电器将停止对电压较高的电容器充电，直至电压再次平衡，从而保护电容器免受过压损坏。

关机模式

当 SHDN 引脚置为低电平时，LTC3225/LTC3225 - 1 进入关机模式。若 SHDN 引脚连接到 VIN 且输入电源移除或接地，输出消耗的电流小于 1μA，可使超级电容器保持充电状态。若输入电源存在且 SHDN 引脚接地，充电器消耗的电源电流约为 1μA；当 Cout 引脚电压放电至 0V 时，该电流降至小于 1μA。需要注意的是，SHDN 引脚是高阻抗 CMOS 输入，不应悬空。

输出电压编程

通过 VSEL 输入引脚，用户可以轻松设置输出阈值电压。对于 LTC3225，逻辑低电平设置调节后的 Cout 为 4.8V，逻辑高电平设置为 5.3V；对于 LTC3225 - 1，逻辑低电平设置为 4V，逻辑高电平设置为 4.5V，VSEL 引脚同样不应悬空。

输出状态指示

PGOOD 引脚为开漏输出状态指示器。启动时，该引脚保持低电平，直到输出电压 Vout 达到其最终值的 6%（典型值）以内，之后变为高阻抗状态。若 Vout 下降到低于正确调节水平的 7.2%（典型值），PGOOD 引脚再次拉低。

电流限制与热保护

LTC3225/LTC3225 - 1 具备内置的电流限制和过温保护功能。若 PROG 引脚短路到地，保护电路会自动关闭内部电荷泵。在高温环境下，或当输入电压过高导致器件过度自热时，当结温超过约 150°C 时，热关断电路将关闭电荷泵；当结温降至约 135°C 时，电荷泵将重新启用。该器件能够在热关断状态下无限循环，不会出现锁定或损坏，直到过流条件消除。

应用信息

编程充电电流

充电电流可通过将 PROG 引脚连接到地的单个电阻进行编程。程序电阻和输入/输出充电电流可通过以下公式计算： [I{VIN}=frac{3600V}{R{PROG}}] [I{OUT}=frac{I{VIN}}{2} (with matched output capacitors)] 当 RPROG 电阻值为 2k 或更低（即短路）时，LTC3225/LTC3225 - 1 将进入过流关机模式，保护器件不受损坏。

功率效率

LTC3225/LTC3225 - 1 的功率效率与具有有效输入电压为实际输入电压两倍的线性稳压器相似。在理想的调节电压倍增器中，功率效率可通过以下公式计算： [eta{2 × IDEAL}=frac{P{OUT}}{P{IN}}=frac{V{OUT} cdot I{OUT}}{V{IN} cdot 2 I{OUT}}=frac{V{OUT}}{2 V{IN}}] 在中高输出功率下，LTC3225/LTC3225 - 1 的开关损耗和静态电流可以忽略不计，上述公式有效。例如，当 (V{IN}=3.6V)，(I_{OUT}=100mA) 且 Vout 调节到 5.3V 时，测量效率为 71.2%，与理论计算的 73.6% 非常接近。

有效开环输出电阻

电荷泵的有效开环输出电阻 (R{OL}) 是描述电荷泵强度的重要参数，其值取决于多个因素，包括振荡器频率 (fosc)、飞跨电容 (C{FLY}) 的值、非重叠时间、内部开关电阻 (RS) 和外部电容器的 ESR。

充电时间估算

当两个超级电容器两端的初始电压相等时，估算充电时间的公式为： [t{CHRG}=frac{C{OUT} cdot (V{COUT}-V{INI})}{I{OUT}}] 其中，(C{OUT}) 是串联输出电容，(V{COUT}) 是由 VSEL 引脚设置的电压阈值，(VINI) 是 Cout 引脚的初始电压，(I{OUT}) 是输出充电电流，计算公式为： [I{OUT}=frac{1800V}{R{PROG}}] 当充电过程开始时，若超级电容器两端的初始电压不相等，只有电压较低的电容器会先充电，另一个电容器在电压相等后才开始充电，这会稍微延长充电时间。在最坏的情况下，由于泄漏电流严重不匹配，一个电容器完全耗尽，而另一个仍保持充满电状态，充电时间约为正常情况的 1.5 倍。

热管理

在较高的输入电压和最大输出电流下，LTC3225/LTC3225 - 1 会有较大的功率耗散。当结温超过约 150°C 时，热关断电路会自动停用输出。为降低最大结温，建议与 PC 板建立良好的热连接，将 DFN 封装的 GND 引脚（引脚 8）和外露焊盘（引脚 11）连接到 PC 板两层的接地平面，可显著降低封装和 PC 板的热阻。

元件选择

VIN 电容选择

为减少输入引脚 (V{IN}) 的纹波和噪声，建议使用低等效串联电阻（ESR）的多层陶瓷芯片电容器（MLCCs）作为 (C{IN})。钽电容和铝电容由于其较高的 ESR，不建议使用。此外，通过一个非常小的串联电感为 LTC3225/LTC3225 - 1 供电，如 10nH 的电感，可进一步降低输入噪声。该电感可以用约 1cm（0.4"）的 PC 板走线制作。

飞跨电容选择

飞跨电容应始终使用低 ESR 陶瓷电容器，严禁使用钽电容或铝电容等极化电容器，因为在 LTC3225/LTC3225 - 1 启动时，其电压可能会反转。为实现额定输出电流，飞跨电容的电容值至少应为 0.6μF。不同材料的陶瓷电容器在温度和电压变化时，有效电容会有所不同。例如，X5R 或 X7R 材料的电容器在 - 40°C 至 85°C 的温度范围内能保持大部分电容，而 Z5U 或 Y5V 类型的电容器在该温度范围内会损失大量电容。在比较不同电容器时，应参考电容器制造商的数据表，以确保在工作温度和偏置电压下满足最小电容值要求。常见的陶瓷电容器制造商有 AVX、Kemet、Murata、Taiyo Yuden、Vishay 和 TDK 等。

布局考虑

由于 LTC3225/LTC3225 - 1 具有较高的开关频率和高瞬态电流，为实现最佳性能，需要精心设计电路板布局。完整的接地平面和短连接到所有外部电容器可以提高性能，并确保在所有条件下都能正常调节。飞跨电容引脚 (C^{+}) 和 (C^{-}) 上的电压具有非常快的上升和下降时间，这些引脚上的高 dV/dt 值可能会导致能量电容耦合到相邻的印刷电路板走线。如果飞跨电容离器件较远（即环路面积较大），还可能会产生磁场。为防止电容能量转移，可以使用法拉第屏蔽，即在敏感节点和 LTC3225/LTC3225 - 1 引脚之间设置一个接地的 PC 走线，并将其连接到延伸至 LTC3225/LTC3225 - 1 的实心接地平面。

典型应用

高峰值功率负载的限流应用

适用于 LED 闪光灯、PCMCIA 突发传输、硬盘驱动器突发操作、GPRS/GSM 发射器等需要高峰值功率但对电流有限制的应用场景。

备用电源

可作为备用电源，为设备在主电源故障时提供临时电力支持，确保设备的正常运行。

总结

LTC3225/LTC3225 - 1 超级电容器充电器以其低噪声、自动电池平衡、可编程充电电流等特性，以及小巧的封装和简单的外部电路，成为了电子工程师在设计超级电容器充电电路时的理想选择。无论是在高峰值功率负载的限流应用中，还是作为备用电源，LTC3225/LTC3225 - 1 都能展现出卓越的性能。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择元件和进行电路板布局，以充分发挥其优势。大家在使用过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。