LTC3108：超低电压升压转换器与电源管理器的应用与设计

引言

在电子设备的设计中，如何高效地从极低电压源获取能量并进行管理是一个关键问题。LTC3108作为一款高度集成的DC/DC转换器，为解决这一问题提供了出色的解决方案。它能够从如TEGs（热电发生器）、热电偶堆和小型太阳能电池等极低输入电压源中收集和管理多余能量，适用于各种低功耗无线传感器和其他能量收集应用。

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产品特性

低电压启动与输出选择

• 启动电压低：LTC3108能够从低至20mV的输入电压启动，这使得它可以利用各种微弱的能量源，如温差产生的微小电压。
• 可选输出电压：提供2.35V、3.3V、4.1V或5V的可选输出电压，满足不同设备的电源需求。

  其他特性

• LDO输出：具备2.2V的LDO输出，可在3mA电流下稳定供电，为外部微处理器等低功耗设备提供电源。
• 逻辑控制输出：通过逻辑信号控制输出，方便系统集成和管理。
• 备用能量输出：设有备用能量输出，可在输入电压源不可用时为系统提供电力。
• 电源良好指示：通过PGD引脚指示主输出电压是否在规定范围内，便于监控系统状态。
• 变压器选择：使用紧凑型升压变压器，减小了设备体积。
• 封装形式：提供12引脚（3mm × 4mm）DFN或16引脚SSOP封装，适合不同的应用场景。

应用领域

无线传感与数据采集

• 远程传感器和无线电电源：为远程传感器和无线电设备提供稳定的电源，实现数据的可靠传输。
• 工业无线传感：在工业环境中，为无线传感器提供能量，实现设备的远程监控和数据采集。

  能量收集

• 余热能量收集：利用余热产生的微小电压，将其转换为可用的电能，实现能量的回收和利用。
• 太阳能电池能量收集：在光照强度较低的情况下，仍能从太阳能电池中收集能量，为设备供电。

  其他应用

• HVAC系统：为HVAC系统中的传感器和控制器提供电源，实现系统的智能化控制。
• 自动计量：在自动计量设备中，为传感器和通信模块提供稳定的电源，确保计量数据的准确传输。
• 楼宇自动化：为楼宇自动化系统中的各种传感器和执行器提供电源，实现楼宇的智能化管理。
• 预测性维护：在设备的预测性维护中，为传感器提供电源，实时监测设备的运行状态，提前发现潜在问题。

工作原理

振荡器

LTC3108利用MOSFET开关和外部升压变压器及小耦合电容形成谐振升压振荡器，能够将低至20mV的输入电压提升到足够高的水平，为其他电路提供多个稳压输出电压。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20mV的输入电压，建议使用约1:100的初级 - 次级匝数比；对于较高的输入电压，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（从次级绕组到C1引脚）和LTC3108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

LTC3108内部的有源电路由VAUX供电，VAUX应使用1µF电容进行旁路。当使用1:50或1:20的匝数比时，建议使用更大的电容值。一旦VAUX超过2.5V，主输出VOUT开始充电。内部并联稳压器将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

LTC3108包含一个精密微功耗参考源，用于提供准确的稳压输出电压。一旦VAUX超过2V，该参考源即开始工作。

同步整流器

当VAUX超过2V时，与每个内部二极管并联的同步整流器接管输入电压的整流工作，提高了效率。

低压差线性稳压器（LDO）

LTC3108包含一个低电流LDO，用于提供2.2V的稳压输出，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，一旦VAUX充电到2.3V，LDO即可开始工作，而此时VOUT存储电容仍在充电。在LDO输出出现阶跃负载时，如果VAUX低于VOUT，电流可以从主VOUT电容获取。LDO需要一个2.2µF的陶瓷电容来确保稳定性，使用更大的电容值不会有限制，但会增加所有输出充电的时间。LDO输出的电流限制最小为4mA。

VOUT输出

主输出电压VOUT由VAUX电源充电，用户可以使用电压选择引脚VS1和VS2将其编程为四种稳压电压之一。当输出电压略低于稳压值时，只要VAUX大于2.5V，充电电流就会开启；一旦VOUT达到合适的值，充电电流就会关闭。内部可编程电阻分压器设置VOUT，无需使用易受电路板泄漏影响的高值外部电阻。

PGOOD信号

电源良好比较器监测VOUT电压。PGD引脚是一个具有弱上拉（1MΩ）到LDO电压的开漏输出。一旦VOUT充电到其稳压电压的7.5%以内，PGD输出将变为高电平；如果VOUT从其稳压电压下降超过9%，PGD将变为低电平。PGD输出用于驱动微处理器或其他芯片I/O，不适合驱动高电流负载，如LED。

VOUT2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1.3Ω的P沟道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机功能。通过最小化VOUT2上的去耦电容，可以实现更快的开关速度，减少脉冲应用（如无线传感器/发射器）中的突发时间和占空比。VOUT2具有约5µs的软启动时间，以限制电容充电电流，并在VOUT2启用时最小化主输出的干扰。它还具有电流限制电路，将峰值电流限制在典型值0.3A。

VSTORE输出

VSTORE输出可用于在VOUT达到稳压后为大型存储电容或可充电电池充电。一旦VOUT达到稳压，VSTORE输出将充电到VAUX电压。VSTORE上的存储元件可在输入源丢失或无法提供VOUT、VOUT2和LDO输出所需电流时为系统供电。如果VAUX低于VSTORE，LTC3108将自动从存储元件中吸取电流。由于VSTORE的最大电流限制在几毫安，它可以安全地用于在输入电压丢失时对NiCd或NiMH可充电电池进行涓流充电。但需要注意的是，VSTORE电容不能为VOUT提供大脉冲电流，VOUT上的任何脉冲负载必须由VOUT电容处理。

短路保护

LTC3108的所有输出都具有电流限制功能，以防止对地短路。

应用信息

输入电压源

LTC3108可以从多种低输入电压源工作，如Peltier电池、光伏电池或热电偶堆发生器。具体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允许使用更低的输入电压，并提供更高的输出功率能力。

• Peltier电池（热电发生器）：Peltier电池由大量串联的P - N结组成，夹在两个平行的陶瓷板之间。当两个板处于不同温度时，会利用塞贝克效应产生直流输出电压。LTC3108的低电压能力使其能够在低至1°C的温差下从TEG获取能量，非常适合在两个表面之间或表面与环境温度之间存在温差的应用中收集能量。大多数电池的内部电阻（ESR）在1Ω至5Ω范围内，允许合理的功率传输。
• 热电偶堆发生器：热电偶堆发生器由多个串联的热电偶组成，封装在金属管中。常用于燃气燃烧器应用中，当暴露在火焰的高温下时，可产生数百毫伏的直流输出。典型的例子有Honeywell CQ200和Q313。这些设备的内部串联电阻小于3Ω，在最高额定温度下可产生高达750mV的开路电压。由于热电偶堆发生器可能产生较高的输出电压，因此可以使用较低的变压器匝数比（通常为1:20，具体取决于应用）。
• 光伏电池：LTC3108转换器也可以在光照强度较低的情况下从单个光伏电池（也称为PV或太阳能电池）工作，而其他低输入电压升压转换器可能无法在这种条件下工作。然而，许多变量会影响这些应用的性能，如光照水平、光照类型（阳光、白炽灯、荧光灯）和光伏电池类型（单晶硅、多晶硅或薄膜）。因此，必须根据可用的光照类型和强度选择合适的光伏电池。需要注意的是，电池的短路输出电流必须至少为几毫安才能为LTC3108转换器供电。

  非升压应用

  LTC3108还可以用作不需要升压的输入源的能量收集器和电源管理器。在这些应用中，可以省略升压变压器。任何峰值电压超过2.5V AC或5V DC的源都可以通过限流电阻连接到C1输入，在那里进行整流/峰值检测。在这些应用中，C2和SW引脚可以接地或留空。例如，压电换能器、振动能量收集器、低电流发电机、低电流太阳能电池组或60Hz交流输入都可以作为输入源。为了限制流入VAUX并联稳压器的最大电流，应使用至少100Ω/V的串联电阻。

组件选择

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。使用1:100的匝数比可以实现低至20mV的启动电压。影响性能的其他因素包括变压器绕组的直流电阻和绕组的电感。较高的直流电阻会导致效率降低。次级绕组电感将根据以下公式确定振荡器的谐振频率： [Frequency =frac{1}{2 cdot pi cdot sqrt{L(sec) cdot C}} Hz] 其中L是变压器次级绕组的电感，C是次级绕组上的负载电容，由C2引脚的输入电容（通常为30pF）与变压器次级绕组的并联电容组成。推荐的谐振频率在10kHz至100kHz范围内。一些推荐的变压器如下表所示：	供应商	型号
Coilcraft	LPR6235 - 752SML (1:100 Ratio) LPR6235 - 253PML (1:20 Ratio) LPR6235 - 123QML (1:50 Ratio) 74488540070 (1:100 Ratio) 74488540120 (1:50 Ratio) 74488540250 (1:20 Ratio)
Würth

电容选择

• VOUT电容：为了在输入功率可能丢失时支持负载，VOUT需要连接一个存储电容。电容值应满足公式[C{OUT }(mu F) geq frac{I{LOAD }(mA) cdot t{PULSE }(ms)}{V{OUT }(V)}]，以确保在脉冲负载期间能够提供足够的能量。同时，为了保证电容的工作电压，应选择工作电压额定值至少为5.5V的电容。

• VSTORE电容：VSTORE电容用于在输入源丢失时为系统供电。其电容值可以根据公式[C{STORE } geq frac{left[6 mu A+I{Q}+I{LDO }+left(I{BURST } cdot t cdot fright)right] cdot TSTORE }{5.25-V_{OUT }}]进行计算，其中6µA是LTC3108的静态电流，IQ是VOUT在突发之间的负载，ILDO是LDO在突发之间的负载，IBURST是突发期间的总负载，t是突发的持续时间，f是突发的频率，TSTORE是所需的存储时间，VOUT是所需的输出电压。需要注意的是，对于编程输出电压为5V的情况，VSTORE电容无法提供有益的存储时间。为了最小化损耗和电容充电时间，所有用于VOUT和VSTORE的电容应具有低泄漏特性。一些推荐的存储电容如下表所示：	供应商	型号/系列
  AVX	BestCap Series TAJ和TPS Series Tantalum
  Cap - XX	GZ Series
  Cooper/Bussmann	KR Series P Series
  Vishay/Sprague	Tantamount 592D 595D Tantalum 150CRZ/153CRV Aluminum 013 RLC (Low Leakage)

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。然而，仍有一些需要考虑的事项：

• 输入连接：由于电路可能在非常低的输入电压下工作，连接到VIN、变压器初级以及LTC3108的SW和GND引脚的设计应尽量减少杂散电阻引起的电压降，并能够承受高达500mA的电流。初级绕组传导路径中的任何小电压降都会降低效率并增加电容充电时间。
• 输出泄漏：由于LTC3108输出的充电电流较低，必须尽量减少输出电压引脚的泄漏电流源。

设计示例

脉冲负载应用中VOUT存储电容的计算

在脉冲负载应用（如无线传感器/发射器）中，负载在大多数时间内非常小（电路处于低功耗睡眠状态），而在发射突发期间会周期性地出现负载电流突发。VOUT上的存储电容在发射突发期间支持负载，而突发之间的长睡眠时间允许LTC3108对电容进行充电。 假设VOUT设置为3.3V，发射突发期间允许的最大电压降为10%（即0.33V），发射突发的持续时间为1ms，突发期间的总平均电流需求为40mA。根据公式[C_{OUT }(mu F) geq frac{40 mA cdot 1 ms}{0.33 V}=121 mu F]，可以计算出VOUT所需的最小电容值。在实际应用中，可以选择150µF或更大的标准电容值。需要注意的是，该公式忽略了电容ESR对输出电压降的影响。对于大多数陶瓷或低ESR钽电容，在这些负载电流下ESR的影响可以忽略不计。 为了计算负载突发的最大发生速率，需要确定LTC3108 VOUT引脚在给定输入电压源下可用的充电电流。这个值最好通过实验确定，因为有许多因素会影响转换器的效率。同时，还需要确定VOUT在睡眠状态（突发之间）的总负载电流，包括存储电容的泄漏等损耗。 假设LTC3108的充电电流为50µA，VOUT在睡眠状态下的总电流为17µA（包括电容泄漏），VOUT电容值为150µF。则最大发射速率（忽略发射突发的持续时间，通常非常短）可以通过公式[t=frac{150 mu F cdot 0.33 V}{(50 mu A-17 mu A)}=1.5 sec]计算得出，即每1.5秒可以支持一次1ms的发射突发。

平均充电电流的计算

在许多脉冲负载应用中，负载电流突发的持续时间、幅度和频率是已知且固定的。在这种情况下，需要计算LTC3108支持平均负载所需的平均充电电流。可以使用公式[CHG geq I{O}+frac{I{BURST } cdot t}{T}]进行计算，其中I0是外部电路在突发之间VOUT所需的睡眠电流（包括电容泄漏），IBURST是突发期间的总负载电流，t是突发的持续时间，T是发射突发速率的周期（即突发之间的时间）。 假设I0 = 5µA，IBURST = 100mA，t = 5ms，T = 1小时。则LTC3108所需的平均充电电流为[CHG geq 5 mu A+frac{100 mA cdot 0.005 sec}{3600 sec}=5.14 mu A]。因此，如果LTC3108的输入电压允许它提供大于5.14µA的充电电流，该应用就可以支持每小时一次持续5ms的100mA突发。可以看出，由于发射占空比非常小（0.00014%），5µA的睡眠电流是主导因素。对于3.3V的VOUT，该应用所需的平均功率仅为17µW（不包括转换器损耗）。

典型应用

基于Peltier电池的远程传感器能量收集器

该应用利用Peltier电池产生的微小电压为远程传感器