LTC3109：超低电压升压转换器与电源管理器的卓越之选

在电子设计领域，对于从极低输入电压源中收集和管理能源的需求日益增长。特别是在无线传感器、工业监控等应用中，传统的电池供电方式可能并不适用，因此需要高效的能源收集解决方案。Linear Technology的LTC3109超低电压升压转换器与电源管理器就是这样一款出色的产品，它为这些应用提供了强大而灵活的能源管理能力。

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一、产品概述

LTC3109是一款高度集成的DC/DC转换器，专为从极低输入电压源（如热电发生器（TEG）和热电堆）中收集多余能量而设计。其独特的自动极性拓扑结构允许它在低至±30mV的输入电压下工作，无论输入电压的极性如何。这一特性使得LTC3109在温度差可能为任意极性的TEG应用中表现出色，能够有效收集能量。

主要特性

1. 超低电压工作：能够从低至±30mV的输入电压中启动，仅需TEG两端温差小于±1°C即可进行能量收集。
2. 自动极性架构：专利的自动极性拓扑结构，无需考虑输入电压的极性，提高了应用的灵活性。
3. 完整的能量收集电源管理系统：提供可选的输出电压（2.35V、3.3V、4.1V或5V），内置2.2V、5mA的LDO，具有逻辑控制输出和能量存储功能，可在电源中断时维持系统运行。
4. 电源良好指示：通过PGOOD引脚指示主输出是否处于稳压范围内，方便系统监控。
5. 紧凑的升压变压器：使用小型的升压变压器，减小了整体尺寸。
6. 小封装：提供20引脚（4mm × 4mm）QFN封装或20引脚SSOP封装，适合空间受限的应用。

应用领域

LTC3109的应用非常广泛，包括但不限于以下领域：

1. 远程传感器和无线设备供电：为无线传感器节点、远程监控设备等提供稳定的电源。
2. HVAC系统：在暖通空调系统中收集热能，为传感器和控制模块供电。
3. 自动抄表：实现电表、水表等的自动抄表功能，无需频繁更换电池。
4. 楼宇自动化：为楼宇自动化系统中的各种传感器和执行器供电。
5. 预测性维护：在工业设备的预测性维护中，为传感器提供能源，实现实时监测。
6. 工业无线传感：满足工业环境中无线传感器的供电需求。

二、工作原理

谐振振荡器

LTC3109利用MOSFET开关和外部升压变压器、小型耦合电容形成谐振升压振荡器。该振荡器可以在任意极性的输入电压下工作，将低至30mV的输入电压升高到足以提供多个稳压输出电压的水平。振荡频率由变压器次级绕组的电感决定，通常在10kHz至100kHz范围内。对于低至30mV的输入电压，建议使用匝数比约为1:100的变压器；对于较高输入电压，匝数比可以降低。

电荷泵和整流器

变压器次级绕组产生的交流电压通过外部电荷泵电容（从次级绕组连接到C1A或C1B引脚）和LTC3109内部的整流器进行升压和整流。整流电路将电流馈入VAUX引脚，为外部VAUX电容和其他输出提供电荷。

VAUX电源

LTC3109内部的有源电路由VAUX供电，VAUX应使用至少1µF的电容进行旁路。当VAUX超过2.5V时，主输出VOUT开始充电。内部的有源分流调节器将VAUX的最大电压限制在典型值5.25V，当转换器无负载或输入源产生的功率超过负载需求时，将多余的电流分流到地。

电压参考

LTC3109包含一个精密的微功耗参考源，用于准确调节输出电压。该参考源在VAUX超过2V时激活。

同步整流器

当VAUX超过2V时，与每个内部整流二极管并联的同步整流器接管C1A和C1B引脚输入电压的整流工作，提高了效率。

低压差线性稳压器（LDO）

LTC3109内置一个低电流LDO，提供稳定的2.2V输出，用于为低功耗处理器或其他低功耗IC供电。LDO由VAUX或VOUT中较高的电压供电，在VAUX充电到2.3V时即可激活，即使VOUT存储电容仍在充电。LDO需要一个2.2µF的陶瓷电容来确保稳定性，较大的电容值可以使用，但会增加所有输出充电所需的时间。LDO输出的电流限制至少为5mA。

VOUT主输出

主输出电压VOUT由VAUX电源充电，并通过电压选择引脚VS1和VS2用户编程为四个稳压电压之一。当输出电压略低于稳压值且VAUX大于2.5V时，充电电流将被启用；当VOUT达到合适的值时，充电电流关闭。VOUT的纹波通常小于20mV峰峰值。内部可编程电阻分压器由VS1和VS2控制，设定VOUT，无需使用易受噪声干扰和电路板泄漏影响的高值外部电阻。

PGOOD电源良好指示

电源良好比较器监控VOUT电压。PGOOD引脚是一个开漏输出，通过一个1MΩ的上拉电阻连接到LDO电压。当VOUT充电到其编程电压的7.5%以内时，PGOOD输出变为高电平；当VOUT下降到其编程电压的9%以下时，PGOOD变为低电平。PGOOD输出用于驱动微处理器或其他芯片的I/O，不适合驱动高电流负载。

VOUT2可开关输出

VOUT2是一个可以由主机通过VOUT2_EN引脚开启和关闭的输出。当启用时，VOUT2通过一个1Ω的P通道MOSFET开关连接到VOUT。这个输出可以用于为外部电路（如传感器和放大器）供电，这些电路没有低功耗“睡眠”或关断功能。通过最小化VOUT2上的去耦电容，可以实现更快的开关速度，减少脉冲时间和占空比。VOUT2具有限流电路，将峰值电流限制在典型值0.3A。

VSTORE能量存储输出

VSTORE输出可用于为大型存储电容或可充电电池充电。当VOUT达到稳压后，VSTORE输出将被允许充电到钳位的VAUX电压（典型值5.25V）。在输入源丢失或无法提供VOUT、VOUT2和LDO输出所需电流时，VSTORE上的存储元件可以为系统供电。如果VAUX低于VSTORE，LTC3109将自动从存储元件中吸取电流。需要注意的是，为大型存储电容充电可能需要较长时间，具体取决于可用的输入能量和VOUT、VLDO上的负载。

短路保护

LTC3109的所有输出都具有电流限制功能，以防止对地短路。

三、应用信息

输入电压源

LTC3109可以从多种低输入电压源（如Peltier电池（热电发生器）或低电平交流源）中获取能量。特定应用所需的最小输入电压取决于变压器匝数比、负载功率需求和电压源的内部直流电阻（ESR）。较低的ESR源允许在更低的输入电压下工作，并提供更高的输出功率能力。

TEG负载匹配

LTC3109的输入电阻（负载）范围为2Ω至10Ω，具体取决于输入电压、变压器匝数比以及C1A和C2A电容值。对于给定的匝数比，随着输入电压下降，输入电阻增加。这一特性使得LTC3109能够优化从具有几欧姆源电阻的源（如典型的TEG）的功率传输。

单极性应用

LTC3109还可以配置为从两个独立的单极性电压源（如不同位置的两个TEG）中获取能量，或者使用单个升压变压器从单个单极性源中获取能量。

元件选择

1. 升压变压器：升压变压器的匝数比决定了转换器启动所需的最低输入电压。由于自动极性架构，建议使用两个相同的升压变压器，除非TEG两端的温度差在一个极性下明显不同。使用1:100的初级 - 次级匝数比可以实现低至30mV的启动电压。其他影响性能的因素包括变压器绕组的电阻和电感。较高的直流电阻会导致效率降低和启动电压升高。
2. 外部电荷泵整流器：LTC3109中的同步整流器针对低频、低电流操作进行了优化。对于谐振振荡器频率超过100kHz、变压器匝数比小于1:20或C1A和C1B电容值大于68nF的应用，建议使用外部电荷泵整流器（如1N4148或1N914或等效器件）。应避免使用肖特基整流器，因为其低正向电压会增加最小启动电压。
3. C1电容：连接从每个变压器的次级绕组到相应C1A和C1B引脚的电荷泵电容会影响转换器的输入电阻和最大输出电流能力。在使用匝数比为1:100的变压器从极低输入电压工作时，通常建议使用最小1nF的电容值。2.2nF至10nF的电容值可以在较高输入电压下提供更高的输出电流，但较大的电容值在低输入电压或高电阻源的情况下可能会影响性能。对于较高输入电压和较低匝数比，可以增加C1电容的值以提高输出电流能力。
4. C2电容：C2电容将C2A和C2B引脚连接到各自的变压器次级绕组。对于大多数应用，建议使用470pF的电容值。较小的电容值会提高最小启动电压，而较大的电容值会降低效率。
5. VOUT和VSTORE电容：对于脉冲负载应用，VOUT电容的大小应根据负载电流、负载脉冲持续时间和应用可容忍的VOUT电压降来确定。VSTORE电容可以是非常大的值（数千微法甚至法拉），用于在输入电压丢失时提供能量存储。所有用于VOUT和VSTORE的电容应具有低泄漏特性，以减少损耗和充电时间。

PCB布局指南

由于谐振转换器的开关频率较低且功率水平较低，PCB布局不像许多其他DC/DC转换器那样关键。但仍需注意以下几点：

1. 由于电路工作在极低的输入电压下，连接到VIN、变压器初级以及LTC3109的SW、VIN和GND引脚的线路应设计为最小化杂散电阻引起的电压降，并能够承载高达500mA的电流。
2. 由于LTC3109输出的充电电流较低，应尽量减少输出电压引脚的泄漏电流源。

四、设计示例

示例1：脉冲负载应用中VOUT电容的计算

在无线传感器/发射器等脉冲负载应用中，负载在大部分时间处于低功耗睡眠状态，仅在发射突发期间出现周期性的负载电流脉冲。VOUT上的储能电容在发射脉冲期间支持负载，脉冲之间的长时间睡眠允许LTC3109积累能量并为电容充电。

假设VOUT设置为3.3V，发射脉冲期间允许的最大电压降为10%（即0.33V），发射脉冲持续时间为5ms，脉冲期间的总平均电流需求为20mA。则VOUT所需的最小电容为： [C_{OUT }(mu F) geq frac{20 mA cdot 5 ms}{0.33 V}=303 mu F] 在这种情况下，可以使用标准值330µF的电容。

为了计算负载脉冲的最大发生速率，需要知道LTC3109 VOUT引脚在给定输入电压源下可用的充电电流。假设充电电流为150µA，VOUT和VLDO在睡眠状态下的总电流消耗为17µA（包括电容泄漏），则最大发射速率为： [T=frac{330 mu F cdot 0.33 V}{150 mu A-17 mu A}=0.82 sec] 即每0.82秒可以支持一个20mA、持续5ms的发射脉冲。

示例2：平均充电电流的计算

在大多数脉冲负载应用中，负载电流脉冲的持续时间、幅度和频率是已知且固定的。此时，需要计算LTC3109支持平均负载所需的平均充电电流。

假设睡眠电流I₀为5µA，脉冲期间的总负载电流IPULSE为100mA，负载脉冲持续时间tPULSE为5ms，脉冲周期T为1小时。则LTC3109所需的平均充电电流为： [I_{CHG} geq 5 mu A+frac{100 mA cdot 0.005 sec}{3600 sec}=5.14 mu A] 因此，如果LTC3109的输入电压允许它提供大于5.14µA的充电电流，该应用可以支持每小时一次持续5ms、100mA的脉冲。

五、典型应用电路

1. 能量收集器：从任意极性的小温差中获取能量

该应用电路使用TEG作为输入源，LTC3109将TEG产生的低电压转换为可用的输出电压，为无线传感器和低功率无线电设备供电。

2. 锂离子电池充电器和LDO：从低电平交流输入工作

该电路利用LTC3109将低电平交流输入转换为合适的电压，为锂离子电池充电，并通过LDO提供稳定的2.2V输出。

3. 单极性能量收集器：为电池备份充电

该应用使用单极性TEG作为输入源，LTC3109将能量收集并存储在电池中，为系统提供备用电源。

4. 双输入能量收集器：从两个TEG中产生5V和2.2V输出

该电路可以从两个不同温度的TEG中获取能量，为系统提供5V和2.2V的输出电压。

六、总结

LTC3109是一款功能强大的超低电压升压转换器与电源管理器，具有自动极性架构、完整的能量收集电源管理系统等诸多优点。它能够从极低输入电压源中高效收集能量，为各种低功耗应用提供稳定的电源。在实际设计中，需要根据具体应用需求合理选择元件，并注意PCB布局，以充分发挥LTC3109的性能。通过本文介绍的设计示例，工程师可以更好地理解如何在脉冲负载应用中计算电容值和充电电流，从而实现优化的设计。你在使用LTC3109的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。