探索LTC3226：2 節超級電容充電器的卓越性能與應用

在電子工程師的日常工作中，可靠且高效的電源管理解決方案至關重要。今天我們將深入探討 Linear Technology 公司的 LTC3226，一款集成了備用電源路徑控制器的 2 節串聯超級電容充電器，看看它如何在眾多應用場景中發揮關鍵作用。

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產品特性概覽

LTC3226 擁有一系列令人矚目的特性，使其在同類產品中脫穎而出。它具備 1x/2x 多模式電荷泵超級電容充電器，能夠實現自動電池平衡，確保每個電容都能得到恰當的充電。此外，其理想二極管主電源路徑控制器（VIN 到 VOUT）以及內部 2A LDO 備用電源（CPO 到 VOUT），為系統提供了可靠的電源切換和備用支持。自動主/備用切換功能，使得在輸入電源出現問題時，能夠迅速切換到備用電源，保障系統的穩定運行。該芯片的輸入電壓范圍為 2.5V 至 5.5V，可通過編程設置超級電容充電電壓和輸入電流限制（最大 315mA），并且在無負載情況下，IVIN 僅為 55μA（典型值），展現出了出色的低功耗特性。其采用的低外形、16 引腳 3mm × 3mm QFN 封裝，也為空間受限的應用提供了便利。

典型應用場景

LTC3226 的應用范圍十分廣泛，涵蓋了智能電表、電池供電的工業/醫療設備、3.3V 固態驅動器、工業報警器、數據備份電源以及電池備用電源等多個領域。這些應用場景對電源的穩定性和可靠性要求極高，而 LTC3226 正好能夠滿足這些需求。

詳細功能剖析

工作模式

LTC3226 具有正常和備用兩種工作模式。當 VIN 高于外部可編程的 PFI 閾值電壓時，芯片處于正常模式，此時電源從 VIN 通過外部 FET 流向 VOUT，內部電荷泵持續對超級電容進行補充充電。而當 VIN 低于該閾值時，芯片進入備用模式，內部電荷泵關閉，外部 FET 關閉，LDO 開啟，利用超級電容存儲的電荷為負載供電。

電荷泵

電荷泵是 LTC3226 的核心組件之一，它是一個雙模式低噪聲恒頻（0.9MHz）調節的電荷泵，能夠將電荷從 VIN 轉移并存儲到 CPO 引腳上的超級電容組中。CPO 引腳的目標或終止電壓可通過 CPO_FB 引腳使用外部電阻分壓器進行編程設置。充電器的輸入電流限制則通過 PROG 引腳與地之間的外部電阻進行編程。在充電周期開始時，當 CPO 引腳電壓小于 VIN 時，電荷泵處于 1x 模式（線性模式），此時電荷泵作為一個通路元件，以編程設置的輸入電流限制對超級電容進行充電。當 CPO 電壓上升到接近輸入電源電壓 200mV 以內時，電荷泵切換到 2x 模式（倍增器模式），平均充電電流約為輸入電流限制的一半。當 CPO 電壓超過目標值約 1% 時，電荷泵開關關閉，進入睡眠模式，以最小化靜態電流。當超級電容因泄漏和內部靜態電流負載而放電，導致 CPO 引腳電壓下降到編程電壓的 1% 以下時，電荷泵再次開啟，對超級電容進行充電，如此循環。電荷泵也可以通過將 EN_CHG 引腳拉低至 0.4V 以下來關閉，但默認情況下，如果 EN_CHG 引腳浮空，電荷泵會通過內部低電流上拉電路始終保持啟用狀態。

電壓鉗位

LTC3226 的電荷泵配備了電壓鉗位電路，可將電容組中任何超級電容的電壓限制在最大允許的預設電壓 2.65V。如果頂部電容（VMID - VCPO）的電壓在 CPO 引腳達到目標電壓之前達到 2.65V，電荷泵將停止通過 CPO 引腳對電容組頂部進行充電，切換到 1x 模式，并通過 VMID 引腳直接向底部電容提供電荷，直到電容組電壓達到其編程值。如果底部電容的電壓在電容組達到目標值之前達到 2.65V，電荷泵將繼續通過 CPO 引腳向電容組頂部提供電荷，同時并聯穩壓器開啟，將底部電容的電荷泄放掉，防止 VMID 引腳電壓進一步上升。該并聯穩壓器能夠分流最大允許的充電電流，約為 315mA（在 1x 模式下）。如果兩個電容的電壓都超過 2.65V，電荷泵將關閉大部分電路，進入睡眠模式。

泄漏平衡器

泄漏平衡器是另一個重要的特性，它能夠將 VMID 引腳電壓精確調節到 CPO 引腳電壓的一半。不過，它的源電流（約 4.5mA）和吸收電流（約 5.5mA）能力有限，主要用于處理由于泄漏電流導致的超級電容輕微不匹配問題，而不是糾正因缺陷導致的嚴重不匹配。只要輸入電源電壓高于 PFI 閾值，平衡器就會處于激活狀態，內部平衡器的存在消除了對外部平衡電阻的需求。

CAPGOOD 狀態輸出

LTC3226 的電荷泵包含一個比較器，可通過 CAPGOOD 引腳上的開漏 NMOS 晶體管報告超級電容的狀態。在 CPO 引腳電壓上升到編程值的 7.5% 以內之前，該引腳會被拉至地，一旦 CPO 引腳電壓超過此閾值，CAPGOOD 引腳就會變為高阻抗狀態。

PROG 引腳短路保護

為了確保芯片的安全性和可靠性，LTC3226 的電荷泵具備 PROG 引腳短路保護功能。通常情況下，電荷泵能夠提供的最大電流由 PROG 電阻設定，但如果 PROG 引腳因任何原因短路到地，或者用戶選擇的 PROG 電阻值遠小于推薦值，電荷泵的輸入電流將被限制在內部設定的約 600mA。同時，從 PROG 引腳能夠提供的最大電流也會被內部電阻限制在小于 1mA。

低壓差穩壓器（LDO）

LDO 是 LTC3226 的另一個主要電路組件，它能夠通過一個導通電阻（RDS(ON)）約為 200mΩ 的通路元件，將超級電容組的功率傳輸到 VOUT。該 LDO 的電流限制內部設定為 4A。當輸入電源電壓低于 PFI 閾值時，PFI 比較器會迅速開啟 LDO，以在不讓 VOUT 軌電壓下降過多的情況下為負載提供必要的電力。不過，為了防止通過理想二極管從輸入到超級電容的無限制電流流動，在 CPO 電壓比 VIN 高約 100mV 之前，LDO 將保持關閉狀態。LDO 的輸出電壓可通過 LDO_FB 引腳使用外部電阻分壓器進行編程設置。

電源故障（PFI）比較器

PFI 比較器能夠在輸入電壓 VIN 低于外部編程的閾值電壓時，將芯片從正常模式切換到備用模式。在備用模式下，只要超級電容中存儲了足夠的電荷，電荷泵就會關閉，LDO 將為負載供電。PFI 閾值電壓可通過 PFI 引腳使用外部電阻分壓器進行編程設置。PFI 比較器的輸出還會驅動一個開漏 NMOS 的柵極，通過 PFO 引腳報告狀態。在正常模式下，PFO 引腳為高阻抗狀態，而在備用模式下，該引腳會被拉至地。

理想二極管控制器

理想二極管控制器能夠通過 GATE 引腳控制連接在輸入 VIN 和輸出 VOUT 之間的外部 PFET 的柵極。在正常工作條件下，這個外部 FET 構成了從輸入到輸出的主要電源路徑。對于非常輕的負載，控制器會在 FET 的輸入和輸出電壓之間保持 15mV 的壓差。當 VIN 突然下降到低于 VOUT 時，控制器會迅速完全關閉 FET，以防止從 VOUT 反向傳導回輸入電源。

復位比較器

復位比較器會在所有工作模式下通過 RST_FB 引腳監視 VOUT，并通過 RST 引腳上的開漏 NMOS 晶體管報告狀態。在任何時候，如果 VOUT 從其編程值下降 7.5%，它會幾乎立即將 RST 引腳拉低。然而，在上升沿時，比較器會在 VOUT 越過閾值后等待 290ms，然后才將 RST 引腳設置為高阻抗狀態。

全局熱關斷

為了防止芯片因過熱而損壞，LTC3226 包含一個全局熱關斷功能。當芯片溫度超過 152°C 時，該功能會關閉整個芯片，而當溫度下降約 15°C 至約 137°C 時，芯片將恢復正常運行。

應用信息

編程設置

在實際應用中，我們需要對 LTC3226 的各項參數進行編程設置。超級電容終止電壓（CPO）可通過 CPO_FB 引腳使用電阻分壓器在 2.5V 至 5.3V 之間進行編程設置。充電器的輸入電流限制可通過將單個電阻連接在 PROG 引腳和地之間進行編程，輸入電流限制通常是 PROG 引腳輸出電流的 10,500 倍。電源故障比較器的輸入電壓閾值可通過 PFI 引腳使用電阻分壓器進行編程設置，為了實現從正常模式到備用模式的平穩過渡，PFI 閾值應設置為比編程的 LDO 輸出電壓 VOUT 高 50mV 至 100mV。LDO 輸出電壓可通過 LDO_FB 引腳使用電阻分壓器在 2.5V 至 5.3V 之間進行編程設置，復位比較器的閾值也可通過 RST_FB 引腳使用電阻分壓器進行編程設置。

其他注意事項

電荷泵的有效開環輸出電阻（ROL）是衡量電荷泵強度的一個重要參數，其值取決于多個因素，如振蕩器頻率（fosc）、飛跨電容的值（CFLY）、非重疊時間、內部開關電阻（RS）以及外部電容的 ESR 等。在選擇 LDO 輸出電容時，為了防止在 VIN 下降到低于編程的 PFI 閾值時，VOUT 電壓下降過多，建議在 VOUT 端子處使用一個 47μF 的陶瓷電容。此外，LTC3226 還可以用于對單個超級電容進行充電，只需將兩個串聯連接的匹配陶瓷電容（最小電容值為 100μF）與超級電容并聯即可。在電路板布局方面，由于 LTC3226 電荷泵會產生高開關頻率和高瞬態電流，因此需要精心設計電路板布局，以確保最佳性能。一個真正的接地平面以及與所有外部電容的短連接將有助于提高性能。同時，為了在所有條件下都能從 LDO 提供最大負載電流，QFN 封裝背面的暴露金屬焊盤與 PC 板接地平面之間的良好熱接觸至關重要，缺乏適當的熱接觸可能會導致結溫超過熱關斷閾值。

總結

總的來說，LTC3226 是一款功能強大、性能卓越的 2 節超級電容充電器，它的多種特性和靈活的編程設置使其能夠適應各種復雜的應用場景。在實際設計中，我們需要根據具體需求對其進行合理的參數設置和電路板布局，以充分發揮其優勢。你在使用類似芯片時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗。