线性科技LTC4425：超级电容充电器的卓越之选

在电子设备中，超级电容作为一种储能元件，具有充电速度快、寿命长、功率密度高等优点，被广泛应用于高功率脉冲应用、备用电源等领域。而如何高效、安全地为超级电容充电，成为了电子工程师们关注的重点。线性科技（Linear Technology）推出的LTC4425线性充电器，为两串超级电容的充电提供了一种优秀的解决方案。

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LTC4425功能特性

理想二极管与智能充电

• 从 (V{IN}) 到 (V{OUT}) 具有极低50mΩ导通电阻，如同理想二极管，适用于高尖峰功率、低平均功率的应用场景。
• 智能充电电流曲线可限制浪涌电流，避免在充电初期对电源和电容造成过大冲击。

内部平衡与可编程特性

• 内置电池平衡电路，无需外部电阻即可实现对两串超级电容的电压平衡，简化了电路设计。
• 输出电压可编程（LDO模式），可根据实际需求灵活调整充电电压。同时，还能对 (V{IN}) 到 (V{OUT}) 的电流进行限制和编程。

低功耗与保护功能

• 静态电流仅20μA，在关机模式下电流小于3μA，有效降低了功耗。
• 具备 (V_{IN}) 电源故障、PGOOD 指示灯，方便实时监控电源状态。
• 提供2.45V/2.7V 电池保护分流功能，最大可将超级电容充电至4.9V/5.4V。
• 拥有3A 峰值电流限制和热限制功能，确保在各种情况下都能安全可靠地工作。

封装小巧

采用3mm × 3mm × 0.75mm DFN 和12引脚 MSOP 封装，节省了电路板空间，适合对尺寸要求较高的应用。

工作模式

LDO模式

在LDO模式下，通过外部电阻分压器网络（(R{FB1}) 和 (R{FB2})）经FB引脚对输出电压 (V{OUT}) 进行编程，同时通过外部电阻 (R{PROG}) 经PROG引脚对充电电流进行编程。充电开始时，恒流放大器控制，将PROG引脚电压伺服到1V；当输出电压接近编程值时，恒压放大器接管，调整充电电流以保持FB引脚电压等于1.2V的内部参考电压。

充电电流曲线模式（正常模式）

当FB引脚短接到输入电压 (V{IN}) 时，进入此模式。恒压放大器内部禁用，充电电流仍由外部 (R{PROG}) 电阻编程。当输入 - 输出电压差（(V{IN}-V{OUT})）大于750mV时，充电器提供1/10的编程充电电流，以限制芯片内的功耗；随着电压差减小，充电电流线性增加，当 (V{OUT}) 接近 (V{IN}) 至250mV以内时达到全编程值；当 (V_{OUT}) 进一步上升，充电器FET进入三极管（欧姆）区域，充电电流逐渐下降。

关键电路功能

理想二极管控制器

当输入 - 输出压差接近15mV时，理想二极管控制器接管控制，通过拉高充电器FET的栅极来维持FET两端15mV的压差，防止超级电容向电源反向充电。

热调节功能

当芯片温度因内部功耗接近105°C时，热调节器会自动降低充电电流，将芯片温度限制在约105°C，保护芯片和外部元件，同时允许用户在不损坏芯片的前提下充分发挥电路板的功率处理能力。

电压钳位电路

可将超级电容两端的电压限制在最大允许电压 (V{CLAMP})，通过SEL引脚选择2.45V或2.7V的预设电压。当电容电压接近 (V{CLAMP}) 时，跨导放大器会线性减小充电电流；当电容电压达到 (V_{CLAMP}) 时，相应的分流晶体管导通，释放多余电荷；当电容电压降低50mV时，分流晶体管关闭，恢复正常充电。

漏电平衡电路

内部漏电平衡放大器将 (V{MID}) 引脚电压伺服到输出电压 (V{OUT}) 的一半，处理超级电容因漏电流引起的轻微不匹配，无需外部平衡电阻。

短路电流限制

当PROG引脚短路到地时，LTC4425将PROG引脚电流限制在约3mA，从而将最大充电电流限制在约3A。若超级电容接近其最大允许电压，电流限制折返电路会将短路电流限制降低到约1/10。

电源状态监测

输入电源故障比较器（PFC）通过PFI引脚监测输入电压 (V{IN})，当 (V{IN}) 低于外部可编程阈值时，通过下拉开漏输出 (overline{PFO}) 报告欠压情况。

输出状态监测

内部比较器实时监测输出电压 (V{OUT})，当 (V{OUT}) 在LDO模式下低于最终编程值的7.5% 或在充电电流曲线模式下低于 (V_{IN}) 超过250mV时，下拉PFO引脚报告电源故障；当输入和输出电压都正常且持续200ms以上时，PFO引脚变为高阻抗，表示电源正常。

应用信息

参数编程

• 输出电压编程：在LDO模式下，可使用从 (V{OUT}) 引脚到地的电阻分压器经FB引脚对输出电压进行编程，公式为 (V{OUT}=V{FB} cdot(1 + R{FB1} / R{FB2}))，其中 (V{FB}) 为1.2V。
• 输入电压阈值编程：使用从 (V_{IN}) 引脚到PFIRET引脚的电阻分压器经PFI引脚对电源故障状态引脚PFO指示电源故障的输入电压阈值进行编程，公式为 (V{IN},overline{PFO}=V{PFI} cdot(1 + R{PF1} / R{PF2}))，其中 (V{PFI}) 为1.2V。
• 充电电流编程：通过单个从PROG引脚到地的电阻对充电电流进行编程，充电电流 (I{CHRG}) 与PROG引脚电流的关系为 (I{CHRG}=1000 cdot(1V / R{PROG}))，也可通过监测PROG引脚电压来确定充电电流，公式为 (I{CHRG}=1000 cdot(V{PROG} / R{PROG}))。

稳定性考虑

在LDO模式下，连接至少0.2F的超级电容时，恒压环路稳定；断开超级电容时，电压环路需要至少10µF电容与500Ω电阻串联以保持稳定。在恒流模式下，PROG引脚电压处于反馈环路中，应尽量减小该引脚的电容，以确保充电器的稳定性。

电路板布局考虑

为了在各种条件下都能提供最大充电电流，LTC4425的两个封装背面的暴露金属焊盘必须与PCB板接地良好热接触。以DFN封装为例，正确焊接到 (2500mm^{2}) 双面1oz. 铜板上时，热阻约为43°C/W；若未良好接触，热阻将远大于此值。

单电容充电

LTC4425也可用于为单个超级电容充电，只需将两个串联的匹配陶瓷电容（最小100µF）或两个匹配的串联电阻（约470k）与超级电容并联即可。

典型应用

LTC4425的典型应用非常广泛，涵盖了从USB供电到汽车嵌入式备份控制等多个领域。例如：

• USB到高尖峰功率3.3V充电：可将USB 5V电源转换为3.3V为高尖峰功率负载供电。
• 3×AA碱性电池到高尖峰功率3.3V充电：利用3×AA碱性电池为3.3V高尖峰功率负载充电。
• 锂离子高尖峰功率电池缓冲：为锂离子电池提供缓冲，确保负载在高尖峰功率需求时能稳定工作。
• 嵌入式汽车备份控制器：在汽车电子系统中，为关键控制器提供备用电源，确保系统在主电源故障时仍能正常工作。

总结

线性科技的LTC4425线性充电器以其丰富的功能特性、灵活的工作模式、完善的保护电路和广泛的应用场景，为电子工程师在超级电容充电设计方面提供了一个强大而可靠的选择。在实际应用中，工程师们可以根据具体需求合理选择工作模式、编程参数，并注意电路板布局和稳定性等问题，以充分发挥LTC4425的性能优势。你在使用LTC4425或其他类似充电器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。