深入剖析LTC3128：高性能超级电容器充电器与平衡器

在电子设备的设计中，超级电容器作为一种重要的储能元件，在备份电源、内存备份等应用场景中发挥着关键作用。为了满足超级电容器的高效充电和保护需求，Linear Technology推出了LTC3128这款3A单片降压 - 升压超级电容器充电器与平衡器。下面，我们就来详细了解一下这款产品。

文件下载：LTC3128.pdf

一、LTC3128的关键特性

1. 精准的输入电流限制

LTC3128具有±2%的精准平均输入电流限制，可通过编程将其设置为最高3A。这一特性使得充电器能够根据实际需求精确控制输入电流，避免因电流过大对电源或电容器造成损害。通过放置从PROG到GND的电阻RPROG和电容CPROG，可以轻松设置输入电流限制，计算公式为： [R{PROG }(k Omega)=11 / I{LIMIT }(A)] [C{PROG }(pF) approx 1600 /left(R{PROG }(k Omega)right)]

2. 可编程的电容电压上限

该充电器支持可编程的最大电容电压限制。通过连接从MAXV到GND的单个电阻，可以对每个电容器的最大电压进行设定，计算公式为： [R{MAXV }(k Omega)=50 cdot V{MAXV }(V)] 这一功能有助于保护电容器，防止过压损坏，延长其使用寿命。

3. 主动电荷平衡功能

对于不匹配的电容器，LTC3128具备主动电荷平衡功能，能够实现快速充电。它可以有效移动电荷，使电容器之间的电压保持平衡，确保每个电容器的电压都在安全范围内。主动电荷平衡功能在VOUT达到稳定状态或其中一个电容器电压超过最大编程值时启动，以提高充电效率和电容器的长期可靠性。

4. 宽输入输出电压范围

输入电压范围为1.73V至5.5V，输出电压范围为1.8V至5.5V，这使得LTC3128能够适应多种不同的电源和负载条件。无论是高于、低于还是等于输出电压的输入电压，它都能高效工作。

5. 低静态电流与关断功能

在充电完成后，从VOUT汲取的静态电流小于2µA。在关机状态下，输出断开，静态电流小于1µA，有效降低了功耗。通过将RUN引脚拉低至0.3V以下即可实现关机，拉高至1.2V以上则启用IC操作。

6. 其他特性

还包括电源良好比较器、电源故障指示器、热增强型封装（20引脚QFN和24引脚TSSOP）等，提供了完善的保护和监测功能，同时优化了散热性能。

二、工作原理分析

1. 充电操作

LTC3128采用固定频率、平均输入电流PWM控制方式对输出电容器进行充电。其专有的开关算法允许充电器在降压和升压模式之间无缝切换，而不会出现电感电流或环路特性的不连续性。当输入电压远高于输出电压时，工作在降压模式；当输入电压降低或输出电压升高时，逐渐过渡到升压模式。

2. 控制环路

该充电器利用两个控制环路：滞回电压环路和电流环路。滞回电压环路用于判断输出是否处于稳定状态，并在VOUT达到编程水平时将LTC3128置于低静态电流睡眠状态。同时，它还具有比例增益控制功能，可在VOUT接近稳定状态时减小充电电流，防止因大充电电流和高等效串联电阻（ESR）电容器导致的睡眠状态切换抖动。电流环路则通过内部补偿，将输入电流强制控制在编程的输入电流限制范围内。

3. 电流限制操作

具备三种电流限制电路：准确的平均输入电流限制电路、线性电流限制电路和峰值电流限制电路。平均输入电流限制电路通过内部50mΩ的检测电阻测量从电源汲取的输入电流，并将其限制在编程值内。线性电流限制电路通常将最大平均电感电流限制在5.0A，峰值电流限制电路在电感电流达到6.5A（典型值）时，会立即关闭开关A和C，打开开关B和D。

4. 其他功能

零电流比较器可监测输出电感电流，当电流降至约30mA时关闭所有功率开关，防止电感电流极性反转，提高轻载效率。此外，还具备热关断、热调节、欠压锁定、电源故障指示、电源良好指示等功能，确保充电器在各种异常情况下的安全性和稳定性。

三、应用信息与设计要点

1. 输出电压编程

输出电压通过电阻分压器进行设置，公式为： [V{OUT }(V)=0.58 V cdot(1+R 2 / R 1)] 同时，编程的最大电容电压会影响可编程的最大输出电压，计算公式为： [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)] 在设计时，可使用较大的电阻值来最小化输出泄漏。

2. 电感器选择

为实现高效率，应选择低DCR（直流电阻）的电感器。电感器的饱和额定值必须大于最坏情况下的平均电感电流加上一半的纹波电流。电感电流纹波可根据以下公式计算： [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}] 建议选择2.2µH至4.7µH之间的电感值，同时应选用高频铁氧体磁芯电感材料以降低频率相关的功率损耗。

3. 输入电容器选择

为降低输入电压纹波，应使用至少10µF的低等效串联电阻（ESR）多层陶瓷电容器来旁路VIN、RSENS和RSENP引脚。电容值越大，输入纹波越小。

4. 输出电容器选择

LTC3128设计用于为总输出电容值大于2mF的超级电容器充电。为防止因电容器ESR引起的电压阶跃导致睡眠状态的切换抖动，在VOUT充电周期的最后5%，充电器会降低充电电流。最大推荐的ESR可通过以下公式计算： [left(R{ESR 1}+R{ESR 2}right)(Omega) cong frac{V{OUT }^{2}}{left(20 cdot V{IN} cdot I_{LIM} cdot etaright)}] 同时，应尽量减小布局对电容器ESR的影响，可使用多层陶瓷电容器作为输出去耦电容。

5. 脉冲输出负载

对于脉冲负载应用，可使用较大的输出电容来减小LTC3128所需的电流。最大负载和最小电容可通过以下公式计算： [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 }}] 在选择输出超级电容器时，脉冲电流的大小和持续时间以及压降电压规格是决定因素。

6. PCB布局考虑

由于LTC3128在高频率下切换大电流，因此PCB布局至关重要。建议使用具有大量铜层和接地层的四层PCB，以确保稳定、无噪声的操作。同时，应遵循以下布局准则：

• 使用整个电路下方的实心接地层。
• 将所有去耦电容放置在靠近LTC3128的位置。
• 在每个去耦电容的GND焊盘旁边使用2至3个局部接地过孔。
• 在LTC3128的外露焊盘下方放置尽可能多的GND过孔。
• 在每个连接到地的组件旁边放置一个局部GND过孔。
• 保持FB和MAXV节点的走线短，将分压器电阻靠近引脚放置。

四、典型应用案例

1. USB 3.0供电的4.8V备份电源

在该应用中，LTC3128通过USB 3.0接口获取电源，为负载提供4.8V的备份电源。通过设置合适的输入电流限制和最大电容电压，可确保超级电容器的安全充电和高效使用。

2. 5.0V至3.3V转换器，具备电源穿越能力

此应用中，LTC3128与其他转换器配合使用，在超级电容器从5V放电至1.8V的过程中，为负载提供稳定的3.3V输出，充分利用了超级电容器中存储的能量。

3. 带二次转换器的超级电容器备份电路

在这个电路中，LTC3128仅从系统主负载消耗的3A输入电流中获取剩余电流，为负载提供备份电源。这种设计可以有效利用电源，提高系统的可靠性。

五、相关产品推荐

除了LTC3128，Linear Technology还提供了一系列相关产品，如LTC3225/LTC3225 - 1、LTC3226、LTC3625/LTC3625 - 1等，这些产品在不同的应用场景中具有各自的优势。例如，LTC3225/LTC3225 - 1适用于对噪声要求较低的应用，而LTC3625/LTC3625 - 1则具有更高的充电效率和更大的充电电流。

LTC3128以其精准的电流限制、可编程的电压上限、主动电荷平衡等功能，为超级电容器的充电和保护提供了一种高效、可靠的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和设计要点，合理选择外部元件和布局，以充分发挥其性能优势。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流讨论。