探索LTC3226：2 节超级电容充电器的卓越性能与应用

在电子工程师的日常工作中，可靠且高效的电源管理解决方案至关重要。今天我们将深入探讨 Linear Technology 公司的 LTC3226，一款集成了备用电源路径控制器的 2 节串联超级电容充电器，看看它如何在众多应用场景中发挥关键作用。

文件下载：LTC3226.pdf

产品特性概览

LTC3226 拥有一系列令人瞩目的特性，使其在同类产品中脱颖而出。它具备 1x/2x 多模式电荷泵超级电容充电器，能够实现自动电池平衡，确保每个电容都能得到恰当的充电。此外，其理想二极管主电源路径控制器（VIN 到 VOUT）以及内部 2A LDO 备用电源（CPO 到 VOUT），为系统提供了可靠的电源切换和备用支持。自动主/备用切换功能，使得在输入电源出现问题时，能够迅速切换到备用电源，保障系统的稳定运行。该芯片的输入电压范围为 2.5V 至 5.5V，可通过编程设置超级电容充电电压和输入电流限制（最大 315mA），并且在无负载情况下，IVIN 仅为 55μA（典型值），展现出了出色的低功耗特性。其采用的低外形、16 引脚 3mm × 3mm QFN 封装，也为空间受限的应用提供了便利。

典型应用场景

LTC3226 的应用范围十分广泛，涵盖了智能电表、电池供电的工业/医疗设备、3.3V 固态驱动器、工业报警器、数据备份电源以及电池备用电源等多个领域。这些应用场景对电源的稳定性和可靠性要求极高，而 LTC3226 正好能够满足这些需求。

详细功能剖析

工作模式

LTC3226 具有正常和备用两种工作模式。当 VIN 高于外部可编程的 PFI 阈值电压时，芯片处于正常模式，此时电源从 VIN 通过外部 FET 流向 VOUT，内部电荷泵持续对超级电容进行补充充电。而当 VIN 低于该阈值时，芯片进入备用模式，内部电荷泵关闭，外部 FET 关闭，LDO 开启，利用超级电容存储的电荷为负载供电。

电荷泵

电荷泵是 LTC3226 的核心组件之一，它是一个双模式低噪声恒频（0.9MHz）调节的电荷泵，能够将电荷从 VIN 转移并存储到 CPO 引脚上的超级电容组中。CPO 引脚的目标或终止电压可通过 CPO_FB 引脚使用外部电阻分压器进行编程设置。充电器的输入电流限制则通过 PROG 引脚与地之间的外部电阻进行编程。在充电周期开始时，当 CPO 引脚电压小于 VIN 时，电荷泵处于 1x 模式（线性模式），此时电荷泵作为一个通路元件，以编程设置的输入电流限制对超级电容进行充电。当 CPO 电压上升到接近输入电源电压 200mV 以内时，电荷泵切换到 2x 模式（倍增器模式），平均充电电流约为输入电流限制的一半。当 CPO 电压超过目标值约 1% 时，电荷泵开关关闭，进入睡眠模式，以最小化静态电流。当超级电容因泄漏和内部静态电流负载而放电，导致 CPO 引脚电压下降到编程电压的 1% 以下时，电荷泵再次开启，对超级电容进行充电，如此循环。电荷泵也可以通过将 EN_CHG 引脚拉低至 0.4V 以下来关闭，但默认情况下，如果 EN_CHG 引脚浮空，电荷泵会通过内部低电流上拉电路始终保持启用状态。

电压钳位

LTC3226 的电荷泵配备了电压钳位电路，可将电容组中任何超级电容的电压限制在最大允许的预设电压 2.65V。如果顶部电容（VMID - VCPO）的电压在 CPO 引脚达到目标电压之前达到 2.65V，电荷泵将停止通过 CPO 引脚对电容组顶部进行充电，切换到 1x 模式，并通过 VMID 引脚直接向底部电容提供电荷，直到电容组电压达到其编程值。如果底部电容的电压在电容组达到目标值之前达到 2.65V，电荷泵将继续通过 CPO 引脚向电容组顶部提供电荷，同时并联稳压器开启，将底部电容的电荷泄放掉，防止 VMID 引脚电压进一步上升。该并联稳压器能够分流最大允许的充电电流，约为 315mA（在 1x 模式下）。如果两个电容的电压都超过 2.65V，电荷泵将关闭大部分电路，进入睡眠模式。

泄漏平衡器

泄漏平衡器是另一个重要的特性，它能够将 VMID 引脚电压精确调节到 CPO 引脚电压的一半。不过，它的源电流（约 4.5mA）和吸收电流（约 5.5mA）能力有限，主要用于处理由于泄漏电流导致的超级电容轻微不匹配问题，而不是纠正因缺陷导致的严重不匹配。只要输入电源电压高于 PFI 阈值，平衡器就会处于激活状态，内部平衡器的存在消除了对外部平衡电阻的需求。

CAPGOOD 状态输出

LTC3226 的电荷泵包含一个比较器，可通过 CAPGOOD 引脚上的开漏 NMOS 晶体管报告超级电容的状态。在 CPO 引脚电压上升到编程值的 7.5% 以内之前，该引脚会被拉至地，一旦 CPO 引脚电压超过此阈值，CAPGOOD 引脚就会变为高阻抗状态。

PROG 引脚短路保护

为了确保芯片的安全性和可靠性，LTC3226 的电荷泵具备 PROG 引脚短路保护功能。通常情况下，电荷泵能够提供的最大电流由 PROG 电阻设定，但如果 PROG 引脚因任何原因短路到地，或者用户选择的 PROG 电阻值远小于推荐值，电荷泵的输入电流将被限制在内部设定的约 600mA。同时，从 PROG 引脚能够提供的最大电流也会被内部电阻限制在小于 1mA。

低压差稳压器（LDO）

LDO 是 LTC3226 的另一个主要电路组件，它能够通过一个导通电阻（RDS(ON)）约为 200mΩ 的通路元件，将超级电容组的功率传输到 VOUT。该 LDO 的电流限制内部设定为 4A。当输入电源电压低于 PFI 阈值时，PFI 比较器会迅速开启 LDO，以在不让 VOUT 轨电压下降过多的情况下为负载提供必要的电力。不过，为了防止通过理想二极管从输入到超级电容的无限制电流流动，在 CPO 电压比 VIN 高约 100mV 之前，LDO 将保持关闭状态。LDO 的输出电压可通过 LDO_FB 引脚使用外部电阻分压器进行编程设置。

电源故障（PFI）比较器

PFI 比较器能够在输入电压 VIN 低于外部编程的阈值电压时，将芯片从正常模式切换到备用模式。在备用模式下，只要超级电容中存储了足够的电荷，电荷泵就会关闭，LDO 将为负载供电。PFI 阈值电压可通过 PFI 引脚使用外部电阻分压器进行编程设置。PFI 比较器的输出还会驱动一个开漏 NMOS 的栅极，通过 PFO 引脚报告状态。在正常模式下，PFO 引脚为高阻抗状态，而在备用模式下，该引脚会被拉至地。

理想二极管控制器

理想二极管控制器能够通过 GATE 引脚控制连接在输入 VIN 和输出 VOUT 之间的外部 PFET 的栅极。在正常工作条件下，这个外部 FET 构成了从输入到输出的主要电源路径。对于非常轻的负载，控制器会在 FET 的输入和输出电压之间保持 15mV 的压差。当 VIN 突然下降到低于 VOUT 时，控制器会迅速完全关闭 FET，以防止从 VOUT 反向传导回输入电源。

复位比较器

复位比较器会在所有工作模式下通过 RST_FB 引脚监视 VOUT，并通过 RST 引脚上的开漏 NMOS 晶体管报告状态。在任何时候，如果 VOUT 从其编程值下降 7.5%，它会几乎立即将 RST 引脚拉低。然而，在上升沿时，比较器会在 VOUT 越过阈值后等待 290ms，然后才将 RST 引脚设置为高阻抗状态。

全局热关断

为了防止芯片因过热而损坏，LTC3226 包含一个全局热关断功能。当芯片温度超过 152°C 时，该功能会关闭整个芯片，而当温度下降约 15°C 至约 137°C 时，芯片将恢复正常运行。

应用信息

编程设置

在实际应用中，我们需要对 LTC3226 的各项参数进行编程设置。超级电容终止电压（CPO）可通过 CPO_FB 引脚使用电阻分压器在 2.5V 至 5.3V 之间进行编程设置。充电器的输入电流限制可通过将单个电阻连接在 PROG 引脚和地之间进行编程，输入电流限制通常是 PROG 引脚输出电流的 10,500 倍。电源故障比较器的输入电压阈值可通过 PFI 引脚使用电阻分压器进行编程设置，为了实现从正常模式到备用模式的平稳过渡，PFI 阈值应设置为比编程的 LDO 输出电压 VOUT 高 50mV 至 100mV。LDO 输出电压可通过 LDO_FB 引脚使用电阻分压器在 2.5V 至 5.3V 之间进行编程设置，复位比较器的阈值也可通过 RST_FB 引脚使用电阻分压器进行编程设置。

其他注意事项

电荷泵的有效开环输出电阻（ROL）是衡量电荷泵强度的一个重要参数，其值取决于多个因素，如振荡器频率（fosc）、飞跨电容的值（CFLY）、非重叠时间、内部开关电阻（RS）以及外部电容的 ESR 等。在选择 LDO 输出电容时，为了防止在 VIN 下降到低于编程的 PFI 阈值时，VOUT 电压下降过多，建议在 VOUT 端子处使用一个 47μF 的陶瓷电容。此外，LTC3226 还可以用于对单个超级电容进行充电，只需将两个串联连接的匹配陶瓷电容（最小电容值为 100μF）与超级电容并联即可。在电路板布局方面，由于 LTC3226 电荷泵会产生高开关频率和高瞬态电流，因此需要精心设计电路板布局，以确保最佳性能。一个真正的接地平面以及与所有外部电容的短连接将有助于提高性能。同时，为了在所有条件下都能从 LDO 提供最大负载电流，QFN 封装背面的暴露金属焊盘与 PC 板接地平面之间的良好热接触至关重要，缺乏适当的热接触可能会导致结温超过热关断阈值。

总结

总的来说，LTC3226 是一款功能强大、性能卓越的 2 节超级电容充电器，它的多种特性和灵活的编程设置使其能够适应各种复杂的应用场景。在实际设计中，我们需要根据具体需求对其进行合理的参数设置和电路板布局，以充分发挥其优势。你在使用类似芯片时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。