LTC3108-1：超低电压升压转换器与电源管理器的深度解析

在电子设计领域，高效的电源管理一直是工程师们关注的焦点。特别是在一些对电源要求苛刻的应用场景中，如无线传感器、能量收集系统等，需要能够从极低电压源中获取能量并进行有效管理的解决方案。Linear Technology的LTC3108-1超低电压升压转换器和电源管理器就是这样一款出色的产品，下面我们来详细了解一下它。

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一、产品概述

LTC3108-1是一款高度集成的DC/DC转换器，专为从极低输入电压源（如TEGs（热电发生器）、热电堆和小型太阳能电池）中收集和管理多余能量而设计。它采用升压拓扑结构，能够在低至20mV的输入电压下工作，为无线传感和数据采集提供了完整的电源管理解决方案。

1.1 主要特性

• 超低输入电压工作：能够从低至20mV的输入电压启动，这使得它可以利用一些微弱的能量源，如微小的温度差产生的热电效应。
• 可选输出电压：提供2.5V、3V、3.7V或4.5V的可选输出电压，满足不同负载的需求。
• LDO输出：具备2.2V的LDO输出，可提供3mA的电流，为外部微处理器等低功耗设备供电。
• 逻辑控制输出和备用能量输出：支持逻辑控制输出，方便与其他电路进行协同工作；同时提供备用能量输出，增强系统的可靠性。
• 电源良好指示：通过电源良好指示器（PGD）信号，可判断主输出电压是否在规定范围内。
• 紧凑的封装：采用12引脚（3mm × 4mm）DFN或16引脚SSOP封装，节省电路板空间。

1.2 应用领域

LTC3108-1广泛应用于多个领域，包括但不限于：

• 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，无需频繁更换电池。
• 余热能量收集：在HVAC系统等场景中，收集余热并转化为电能，实现能源的有效利用。
• 工业无线传感：为工业无线传感器提供可靠的电源，提高工业自动化水平。
• 自动计量：确保自动计量设备的稳定运行，减少维护成本。
• 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支持。
• 预测性维护：帮助实现设备的预测性维护，提高设备的可靠性和使用寿命。

二、电气特性

2.1 绝对最大额定值

在使用LTC3108-1时，需要注意其绝对最大额定值，以确保设备的安全运行。例如，SW电压范围为–0.3V至2V，VOUT2和VOUT2_EN的电压范围为–0.3V至6V等。同时，要注意不同引脚的电压和电流限制，以及工作结温范围（–40°C至125°C）和存储温度范围（–65°C至125°C）。

2.2 电气参数

LTC3108-1的各项电气参数在不同条件下有明确的规定。例如，使用1:100变压器匝数比时，最小启动电压为20mV，无负载输入电流在特定条件下为3mA等。输出电压可通过VS1和VS2引脚进行编程，不同组合可得到2.5V、3V、3.7V或4.5V的输出电压。此外，还规定了LDO输出电压、负载调节、线路调节、压降电压等参数，这些参数对于设计和使用该芯片至关重要。

三、典型性能特性

3.1 输出电流和效率与输入电压的关系

通过典型性能特性曲线可以看出，输出电流（IVOUT）和效率与输入电压（VIN）以及变压器匝数比密切相关。不同的匝数比（如1:20、1:50、1:100）会影响输出电流和效率的表现。一般来说，在较低的输入电压下，使用较大的匝数比可以获得更高的输出电流和效率。

3.2 输入电阻与输入电压的关系

输入电阻（INPUT RESISTANCE）与输入电压和变压器匝数比也有关系。随着输入电压的降低，输入电阻会增加，这有助于优化从具有几欧姆源电阻的源（如典型的TEG）的功率传输。

3.3 其他性能特性

还包括LDO负载调节、LDO压降电压、VOUT和PGD响应、VOUT纹波等性能特性。这些特性对于评估芯片在不同负载和工作条件下的性能非常重要。

四、引脚功能

4.1 VAUX

VAUX是内部整流电路的输出和IC的VCC，需要用至少1µF的电容进行旁路。内部有源并联稳压器将VAUX钳位在5.25V（典型值）。

4.2 VSTORE

VSTORE用于连接存储电容或电池。当输入电压丢失时，该引脚连接的大电容可为系统供电。它会充电到VAUX的最大钳位电压。如果不使用，该引脚应留空或连接到VAUX。

4.3 VOUT

VOUT是转换器的主输出，其电压由VS1和VS2引脚编程选择。可连接到储能电容或可充电电池。

4.4 VOUT2

VOUT2是转换器的开关输出，可通过VOUT2_EN引脚由主机控制开关。当启用时，通过1.3Ω的P沟道开关连接到VOUT。该输出可用于为外部电路（如传感器和放大器）供电。

4.5 VLDO

VLDO是2.2V LDO的输出，需要连接一个2.2µF或更大的陶瓷电容到地。如果不使用，该引脚应连接到VAUX。

4.6 PGD

PGD是电源良好输出。当VOUT在其编程值的7.5%范围内时，PGD通过1MΩ电阻上拉到VLDO；如果VOUT下降到其编程值的9%以下，PGD将变为低电平。

4.7 VS1和VS2

VS1和VS2是VOUT选择引脚，通过连接到地或VAUX来编程输出电压。

4.8 VOUT2_EN

VOUT2_EN是VOUT2的使能输入，当该引脚驱动为高电平时，VOUT2将被启用。该引脚有一个内部5M下拉电阻。

4.9 C1和C2

C1是电荷泵和整流电路的输入，需要连接一个电容到升压变压器的次级绕组；C2是N沟道栅极驱动电路的输入，同样需要连接一个电容到升压变压器的次级绕组。

4.10 SW

SW是内部N沟道开关的漏极，连接到变压器的初级绕组。

4.11 GND

GND是接地引脚，DFN封装的暴露焊盘必须焊接到PCB接地平面，以提供接地连接和散热。

五、工作原理

5.1 振荡器

LTC3108-1利用MOSFET开关和外部升压变压器以及小耦合电容形成谐振升压振荡器，能够将低至20mV的输入电压升高到足够的电压，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。

5.2 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LTC3108-1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。

5.3 VAUX

VAUX为LTC3108-1内部的有源电路供电，需要用1µF电容进行旁路。当VAUX超过2.5V时，主VOUT开始充电。内部并联稳压器将VAUX的最大电压限制在5.25V（典型值）。

5.4 电压参考

LTC3108-1包含一个精密的微功耗参考，用于提供准确的稳压输出电压。当VAUX超过2V时，该参考开始工作。

5.5 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，提高效率。

5.6 低压差线性稳压器（LDO）

LTC3108-1包含一个低电流LDO，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，需要一个2.2µF的陶瓷电容来保证稳定性。

5.7 VOUT

VOUT的主输出电压由VAUX电源充电，用户可通过VS1和VS2引脚将其编程为四个稳压电压之一。当输出电压略低于稳压值时，只要VAUX大于2.5V，充电电流就会被启用；当VOUT达到适当值时，充电电流将关闭。

5.8 PGOOD

电源良好比较器监控VOUT电压。PGD引脚是一个开漏输出，通过一个弱上拉（1M）连接到LDO电压。当VOUT充电到其稳压电压的7.5%范围内时，PGD输出将变为高电平；如果VOUT下降超过其稳压电压的9%，PGD将变为低电平。

5.9 VOUT2

VOUT2是一个可由主机控制开关的输出，通过VOUT2_EN引脚进行控制。启用时，通过1.3Ω的P沟道MOSFET开关连接到VOUT。该输出可用于为外部电路供电，通过最小化VOUT2上的去耦电容，可以实现更快的开关速度和更小的占空比。

5.10 VSTORE

VSTORE输出可用于在VOUT达到稳压后对大存储电容或可充电电池进行充电。当VOUT达到稳压时，VSTORE输出将充电到VAUX电压。存储元件可在输入源丢失或无法提供所需电流时为系统供电。

5.11 短路保护

LTC3108-1的所有输出都具有电流限制功能，以防止对地短路。

5.12 输出电压排序

通过输出电压排序的时序图可以了解各个输出的充电和电压排序情况，确保系统的正常工作。

六、应用信息

6.1 输入电压源

LTC3108-1可以从多种低输入电压源（如Peltier电池、光伏电池或热电堆发生器）获取能量。不同的输入电压源具有不同的特性，需要根据具体应用选择合适的输入源。例如，Peltier电池（热电发生器）可在温度差低至1°C的情况下工作，其内部电阻（ESR）通常在1Ω至5Ω范围内，适合能量收集应用。

6.2 组件选择

6.2.1 升压变压器

升压变压器的匝数比决定了转换器的启动输入电压。使用1:100的匝数比可以实现低至20mV的启动电压。变压器绕组的直流电阻和电感也会影响性能，较高的直流电阻会导致效率降低。推荐的谐振频率在10kHz至100kHz范围内。

6.2.2 C1电容

连接到变压器次级绕组和C1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1:100匝数比的变压器和极低输入电压时，建议使用至少1nF的电容。对于较高的输入电压和较低的匝数比，可以增加C1电容的值以提高输出电流能力。

6.2.3 避免振荡问题

某些类型的振荡器可能会出现“squegging”现象，LTC3108-1也可能遇到这种情况。通过在C2引脚的耦合电容上并联一个泄放电阻（阻值范围为100k至1MΩ）可以避免squegging，推荐使用499k的泄放电阻。

6.2.4 使用外部电荷泵整流器

当输入电压较高（通常在250mV或更高）时，使用较低的变压器升压比（如1:20和1:10）和较大的C1电容值可以提供更高的输出电流能力。此时，建议使用外部电荷泵整流器以获得最佳性能。

6.2.5 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电路允许的电压降来确定。VSTORE电容可以是非常大的值，以在输入电源丢失时提供保持能力。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。

6.3 PCB布局指南

由于谐振转换器的开关频率较低和功率水平较低，PCB布局不像其他DC/DC转换器那样关键。但仍需要注意连接到VIN、变压器初级、SW和GND引脚的线路，以最小化杂散电阻引起的电压降，并确保能够承载高达500mA的电流。同时，要尽量减少输出电压引脚的泄漏电流。

6.4 设计示例

6.4.1 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，需要计算VOUT存储电容的大小。例如，当VOUT设置为3V，允许的电压降为10%（0.3V），负载脉冲持续时间为1ms，总平均电流为40mA时，根据公式计算出最小所需电容为133µF。同时，还需要计算负载脉冲的最大发生速率，以确保系统的正常运行。

6.4.2 平均充电电流的计算

在已知负载电流脉冲的持续时间、大小和频率的情况下，需要计算LTC3108-1支持平均负载所需的平均充电电流。通过公式可以计算出所需的充电电流，以确保系统能够满足负载需求。

七、典型应用

7.1 Peltier供电的远程传感器能量收集器

利用Peltier电池作为输入源，为远程传感器提供电源。通过LTC3108-1收集和管理能量，实现传感器的长期稳定运行。

7.2 太阳能电池供电的超级电容充电器和LDO

使用太阳能电池为超级电容充电，并通过LTC3108-1提供稳定的电源输出。在光照条件较低的情况下，LTC3108-1仍能正常工作。

7.3 热电堆发生器供电的双输出转换器和LDO

利用热电堆发生器作为输入源，为系统提供双输出电压和LDO输出。适用于需要多个电压输出的应用场景。

7.4 DC输入能量收集器和电源管理器

对于DC输入源，LTC3108-1可以作为能量收集器和电源管理器，实现能量的有效利用。

7.5 AC输入能量收集器和电源管理器

对于AC输入源，同样可以使用LTC3108-1进行能量收集和管理。通过适当的电路设计，将AC输入转换为稳定的DC输出。

7.6 低剖面（1.5mm）升压转换器/收集器

使用1:10变压器实现低剖面的升压转换和能量收集。该应用适用于对空间要求较高的场景。

八、相关部件

文档中还介绍了一些相关部件，如LTC3108、LTC4070、LTC1041等，这些部件在不同的应用场景中具有各自的特点和优势，可以根据具体需求进行选择和搭配。

LTC3108-1是一款功能强大的超低电压升压转换器和电源管理器，在能量收集和电源管理领域具有广泛的应用前景。通过合理选择组件和优化设计，可以充分发挥其性能优势，为各种低功耗应用提供可靠的电源解决方案。你在使用LTC3108-1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。