LTC3355：集成超级电容充电器和备用稳压器的20V 1A降压DC/DC转换器

在电子设备的电源设计中，如何确保在输入电源中断时仍能为负载提供稳定的电源是一个关键问题。Linear Technology的LTC3355就是一款专门解决这一问题的高性能电源管理芯片。本文将深入介绍LTC3355的特点、应用、工作原理以及设计要点。

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一、关键特性

1. 宽输入输出电压范围

LTC3355的输入电压范围为3V至20V，输出电压范围为2.7V至5V，能够适应多种不同的电源输入和负载需求。

2. 强大的稳压功能

它集成了1A电流模式降压主稳压器和5A升压备用稳压器。降压稳压器可从最高20V的输入电源提供2.7V至5V的稳压输出电压；升压稳压器能在输入电源丢失时，从单个超级电容获取能量为输出提供连续的备用电源，且能低至0.5V工作，最大程度利用超级电容的能量。

3. 可编程功能

• 超级电容充电电流可编程至1A，具有过压保护功能，还支持单节CC/CV电池充电。
• 输入电流限制和升压电流限制均可编程，方便根据不同应用场景进行调整。

  4. 状态指示

  具备输入电源故障指示器（PFI）、超级电容电源良好指示器（VCAP）和输出电源复位输出（VOUT），方便用户实时监控电源状态。

  5. 紧凑封装

  采用紧凑的20引脚4mm×4mm QFN封装，节省电路板空间。

二、应用场景

LTC3355适用于多种需要电源备份的应用，如穿越“垂死喘息”电源、功率计、工业报警器和固态硬盘等。在这些应用中，当输入电源突然中断时，LTC3355能够利用超级电容存储的能量为负载提供临时的备用电源，确保设备的正常运行。

三、工作原理

1. 启动过程

当芯片首次启动时，只有输入电压（VIN）可用，输出电压（VOUT）和超级电容电压（VCAP）为零。内部2.5V稳压器在启动期间从VIN为INTVCC供电，INTVCC为所有低压电路供电。降压稳压器启用后，通过电感驱动VOUT上升，直到FB引脚的反馈电压等于0.8V。当VOUT超过2.5V时，INTVCC将精确跟踪VOUT，内部低压电路的电流将由VOUT提供。

2. 降压稳压

LTC3355采用1MHz恒定频率峰值电流模式非同步单片降压稳压器，带有内部斜率补偿，在VIN可用时控制VOUT的电压。误差放大器将FB引脚的分压输出电压与0.8V参考电压进行比较，并相应调整电感峰值电流。通过MODE引脚可选择Burst Mode操作，以在低负载电流时优化效率。

3. 输入电流限制

可选的输入电流限制通过连接在VINS和VIN之间的外部检测电阻进行编程。当达到输入电流限制时，充电电流将减小；如果充电电流已减小到零且输入电流继续增加，降压稳压器的电流驱动能力将降低。

4. 升压稳压

当VIN不可用时，通过PFI引脚启用1MHz恒定频率峰值电流模式升压稳压器，同时禁用降压稳压器。升压稳压器使用VCAP存储的电压作为输入电源，调节VOUT的电压。IBSTPK引脚可在1A至5A范围内设置升压峰值电流，适用于较低电流的备用应用。

5. 超级电容充电

内部1A恒流/恒压线性充电器从VOUT向VCAP提供电流，对超级电容进行充电。当VIN高于通过PFI引脚编程的电压、EN_CHG引脚为高电平且VOUT处于稳压状态时，充电器启用。ICHG引脚通过连接电阻到地来编程VCAP的充电电流。

6. 电源状态监控

• VIN状态监控：PFI输入始终监控VIN电压，当VIN低于参考电压时，降压稳压器和充电器将被禁用，升压稳压器将被启用。PFOB引脚是5V开漏输出，当PFI比较器确定VIN掉电时，PFOB输出变为低电平。
• VOUT状态监控：RSTB引脚是5V开漏输出，当VOUT达到编程稳压电压的92.5%时，RSTB引脚变为高电平。
• VCAP状态监控：CPGOOD引脚是5V开漏输出，当VCAP达到编程稳压电压的92.5%时，CPGOOD引脚变为高电平。

  7. 热调节和热关断

  LTC3355具有热调节功能，当芯片温度因内部功耗升高时，热调节器将通过减小充电电流将芯片温度限制在110°C。此外，还有热关断电路，当芯片温度达到155°C时，整个芯片将关闭；当温度下降约15°C至约140°C时，芯片将恢复正常运行。

四、设计要点

1. 电阻网络选择

• FB电阻网络：用于编程VOUT电压，推荐使用1%精度的电阻以保持输出电压精度。
• CFB电阻网络：用于编程VCAP电压，同样推荐使用1%精度的电阻。
• ICHG设置电阻：用于设置VCAP的充电电流，选择合适的电阻值可确保充电电流的准确性。
• IBSTPK设置电阻：用于设置升压峰值电流限制，建议使用1%精度的电阻。
• PFI电阻网络：用于编程VIN的掉电电压，为保证PFI阈值电压精度，应使用1%精度的电阻。

  2. 电感选择

• 降压电感L1：电感值的选择可参考公式(L=(V{OUT }+V{D})cdot frac{1.8}{f{SW}})，其中(f{sw })为开关频率，(Vout)为降压输出电压，(V_{D})为续流二极管压降。电感的RMS电流额定值必须大于最大负载电流，饱和电流应高30%。为保持高效率，串联电阻（DCR）应小于0.1Ω，且磁芯材料应适用于高频应用。
• 升压电感L2：推荐使用3.3µH的电感，以确保在VIN电源中断后快速从降压转换到升压。

  3. 电容选择

• 降压输入电容：使用X7R或X5R类型的陶瓷电容对VIN和VINS进行旁路，电容值为10µF至22µF。如果输入电源源阻抗高或存在长导线或电缆引起的显著电感，可能需要更大的VINS旁路电容，可使用低性能电解电容与陶瓷电容并联。
• 输出电容：输出电容的选择可参考公式(C{OUT }=f{SW}left(frac{100}{ V_{OUT }}right))，推荐使用X5R或X7R类型的陶瓷电容，以提供低输出纹波和良好的瞬态响应。电容的ESR应小于0.05Ω。

  4. 二极管选择

• 降压续流二极管：续流二极管在开关关断期间导通电流，正常工作时的平均正向电流可根据公式(D(A V G)=I _{OUT }(1-D C))计算。在高温环境下，应选择反向泄漏电流低的肖特基二极管。
• 升压整流二极管：推荐使用肖特基整流二极管，该二极管应在峰值工作电流下具有低正向压降、低反向电流和快速反向恢复时间，电流额定值应考虑功率耗散和输出电流要求。

  5. PCB布局

  为确保芯片正常工作并降低EMI，在PCB布局时应注意以下几点：

• 使VIN、SW1、SW2和接地引脚、降压续流二极管、升压整流二极管和输入电容形成的回路尽可能小。
• 将这些组件以及电感和输出电容放置在电路板的同一侧，并在该层进行连接。
• 所有接地连接应在公共星型接地点或直接连接到这些组件下方的局部、不间断接地平面。
• 仔细布局SW1和SW2节点，避免干扰。
• 保持FB、PFI、ICHG、IBSTPK、VCBST和CFB节点小，以便接地走线屏蔽它们免受开关节点的影响。
• 尽可能扩展接地平面，并在焊盘下方和附近添加散热过孔，以降低热阻。

五、典型应用

文档中给出了两种典型应用电路，分别是钽电容充电器和穿越备用电源、镍氢涓流充电器和穿越备用电源。这些应用电路展示了LTC3355在不同场景下的具体应用，为工程师的设计提供了参考。

总之，LTC3355是一款功能强大、性能优越的电源管理芯片，能够为电子设备提供可靠的电源备份解决方案。在设计过程中，工程师需要根据具体应用需求，合理选择电阻、电感、电容和二极管等组件，并注意PCB布局，以确保芯片的正常运行和系统的稳定性。你在使用LTC3355进行设计时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。