LTC3355：集成超級電容充電器和備用穩壓器的20V 1A降壓DC/DC轉換器

在電子設備的電源設計中，如何確保在輸入電源中斷時仍能為負載提供穩定的電源是一個關鍵問題。Linear Technology的LTC3355就是一款專門解決這一問題的高性能電源管理芯片。本文將深入介紹LTC3355的特點、應用、工作原理以及設計要點。

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一、關鍵特性

1. 寬輸入輸出電壓范圍

LTC3355的輸入電壓范圍為3V至20V，輸出電壓范圍為2.7V至5V，能夠適應多種不同的電源輸入和負載需求。

2. 強大的穩壓功能

它集成了1A電流模式降壓主穩壓器和5A升壓備用穩壓器。降壓穩壓器可從最高20V的輸入電源提供2.7V至5V的穩壓輸出電壓；升壓穩壓器能在輸入電源丟失時，從單個超級電容獲取能量為輸出提供連續的備用電源，且能低至0.5V工作，最大程度利用超級電容的能量。

3. 可編程功能

• 超級電容充電電流可編程至1A，具有過壓保護功能，還支持單節CC/CV電池充電。
• 輸入電流限制和升壓電流限制均可編程，方便根據不同應用場景進行調整。

  4. 狀態指示

  具備輸入電源故障指示器（PFI）、超級電容電源良好指示器（VCAP）和輸出電源復位輸出（VOUT），方便用戶實時監控電源狀態。

  5. 緊湊封裝

  采用緊湊的20引腳4mm×4mm QFN封裝，節省電路板空間。

二、應用場景

LTC3355適用于多種需要電源備份的應用，如穿越“垂死喘息”電源、功率計、工業報警器和固態硬盤等。在這些應用中，當輸入電源突然中斷時，LTC3355能夠利用超級電容存儲的能量為負載提供臨時的備用電源，確保設備的正常運行。

三、工作原理

1. 啟動過程

當芯片首次啟動時，只有輸入電壓（VIN）可用，輸出電壓（VOUT）和超級電容電壓（VCAP）為零。內部2.5V穩壓器在啟動期間從VIN為INTVCC供電，INTVCC為所有低壓電路供電。降壓穩壓器啟用后，通過電感驅動VOUT上升，直到FB引腳的反饋電壓等于0.8V。當VOUT超過2.5V時，INTVCC將精確跟蹤VOUT，內部低壓電路的電流將由VOUT提供。

2. 降壓穩壓

LTC3355采用1MHz恒定頻率峰值電流模式非同步單片降壓穩壓器，帶有內部斜率補償，在VIN可用時控制VOUT的電壓。誤差放大器將FB引腳的分壓輸出電壓與0.8V參考電壓進行比較，并相應調整電感峰值電流。通過MODE引腳可選擇Burst Mode操作，以在低負載電流時優化效率。

3. 輸入電流限制

可選的輸入電流限制通過連接在VINS和VIN之間的外部檢測電阻進行編程。當達到輸入電流限制時，充電電流將減小；如果充電電流已減小到零且輸入電流繼續增加，降壓穩壓器的電流驅動能力將降低。

4. 升壓穩壓

當VIN不可用時，通過PFI引腳啟用1MHz恒定頻率峰值電流模式升壓穩壓器，同時禁用降壓穩壓器。升壓穩壓器使用VCAP存儲的電壓作為輸入電源，調節VOUT的電壓。IBSTPK引腳可在1A至5A范圍內設置升壓峰值電流，適用于較低電流的備用應用。

5. 超級電容充電

內部1A恒流/恒壓線性充電器從VOUT向VCAP提供電流，對超級電容進行充電。當VIN高于通過PFI引腳編程的電壓、EN_CHG引腳為高電平且VOUT處于穩壓狀態時，充電器啟用。ICHG引腳通過連接電阻到地來編程VCAP的充電電流。

6. 電源狀態監控

• VIN狀態監控：PFI輸入始終監控VIN電壓，當VIN低于參考電壓時，降壓穩壓器和充電器將被禁用，升壓穩壓器將被啟用。PFOB引腳是5V開漏輸出，當PFI比較器確定VIN掉電時，PFOB輸出變為低電平。
• VOUT狀態監控：RSTB引腳是5V開漏輸出，當VOUT達到編程穩壓電壓的92.5%時，RSTB引腳變為高電平。
• VCAP狀態監控：CPGOOD引腳是5V開漏輸出，當VCAP達到編程穩壓電壓的92.5%時，CPGOOD引腳變為高電平。

  7. 熱調節和熱關斷

  LTC3355具有熱調節功能，當芯片溫度因內部功耗升高時，熱調節器將通過減小充電電流將芯片溫度限制在110°C。此外，還有熱關斷電路，當芯片溫度達到155°C時，整個芯片將關閉；當溫度下降約15°C至約140°C時，芯片將恢復正常運行。

四、設計要點

1. 電阻網絡選擇

• FB電阻網絡：用于編程VOUT電壓，推薦使用1%精度的電阻以保持輸出電壓精度。
• CFB電阻網絡：用于編程VCAP電壓，同樣推薦使用1%精度的電阻。
• ICHG設置電阻：用于設置VCAP的充電電流，選擇合適的電阻值可確保充電電流的準確性。
• IBSTPK設置電阻：用于設置升壓峰值電流限制，建議使用1%精度的電阻。
• PFI電阻網絡：用于編程VIN的掉電電壓，為保證PFI閾值電壓精度，應使用1%精度的電阻。

  2. 電感選擇

• 降壓電感L1：電感值的選擇可參考公式(L=(V{OUT }+V{D})cdot frac{1.8}{f{SW}})，其中(f{sw })為開關頻率，(Vout)為降壓輸出電壓，(V_{D})為續流二極管壓降。電感的RMS電流額定值必須大于最大負載電流，飽和電流應高30%。為保持高效率，串聯電阻（DCR）應小于0.1Ω，且磁芯材料應適用于高頻應用。
• 升壓電感L2：推薦使用3.3μH的電感，以確保在VIN電源中斷后快速從降壓轉換到升壓。

  3. 電容選擇

• 降壓輸入電容：使用X7R或X5R類型的陶瓷電容對VIN和VINS進行旁路，電容值為10μF至22μF。如果輸入電源源阻抗高或存在長導線或電纜引起的顯著電感，可能需要更大的VINS旁路電容，可使用低性能電解電容與陶瓷電容并聯。
• 輸出電容：輸出電容的選擇可參考公式(C{OUT }=f{SW}left(frac{100}{ V_{OUT }}right))，推薦使用X5R或X7R類型的陶瓷電容，以提供低輸出紋波和良好的瞬態響應。電容的ESR應小于0.05Ω。

  4. 二極管選擇

• 降壓續流二極管：續流二極管在開關關斷期間導通電流，正常工作時的平均正向電流可根據公式(D(A V G)=I _{OUT }(1-D C))計算。在高溫環境下，應選擇反向泄漏電流低的肖特基二極管。
• 升壓整流二極管：推薦使用肖特基整流二極管，該二極管應在峰值工作電流下具有低正向壓降、低反向電流和快速反向恢復時間，電流額定值應考慮功率耗散和輸出電流要求。

  5. PCB布局

  為確保芯片正常工作并降低EMI，在PCB布局時應注意以下幾點：

• 使VIN、SW1、SW2和接地引腳、降壓續流二極管、升壓整流二極管和輸入電容形成的回路盡可能小。
• 將這些組件以及電感和輸出電容放置在電路板的同一側，并在該層進行連接。
• 所有接地連接應在公共星型接地點或直接連接到這些組件下方的局部、不間斷接地平面。
• 仔細布局SW1和SW2節點，避免干擾。
• 保持FB、PFI、ICHG、IBSTPK、VCBST和CFB節點小，以便接地走線屏蔽它們免受開關節點的影響。
• 盡可能擴展接地平面，并在焊盤下方和附近添加散熱過孔，以降低熱阻。

五、典型應用

文檔中給出了兩種典型應用電路，分別是鉭電容充電器和穿越備用電源、鎳氫涓流充電器和穿越備用電源。這些應用電路展示了LTC3355在不同場景下的具體應用，為工程師的設計提供了參考。

總之，LTC3355是一款功能強大、性能優越的電源管理芯片，能夠為電子設備提供可靠的電源備份解決方案。在設計過程中，工程師需要根據具體應用需求，合理選擇電阻、電感、電容和二極管等組件，并注意PCB布局，以確保芯片的正常運行和系統的穩定性。你在使用LTC3355進行設計時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。