LTC3625/LTC3625 - 1：高效双电池超级电容器充电器的设计与应用

在电子设备的设计中，超级电容器作为一种重要的储能元件，其充电管理至关重要。LTC3625/LTC3625 - 1 超级电容器充电器为我们提供了一种高效、可靠的解决方案。下面，我们就来详细了解一下这款充电器的特点、工作原理以及应用注意事项。

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一、产品概述

LTC3625/LTC3625 - 1 是一款可编程的超级电容器充电器，能够将两个串联的超级电容器从 2.7V 至 5.5V 的输入电源充电至固定输出电压（4.8V/5.3V 或 4V/4.5V 可选）。它具有自动电池平衡功能，可防止充电过程中电容器过压，无需平衡电阻。该充电器具有高效率、高充电电流、低静态电流和最少外部元件数量（一个电感器、一个 (V_{IN}) 旁路电容器和一个编程电阻）的特点，非常适合小尺寸备份或高峰值功率系统。

二、产品特性

2.1 充电模式与效率

• 升降压充电：能够对两个串联的超级电容器进行高效的升压/降压充电。
• 自动电池平衡：防止充电过程中电容器过压，确保充电安全。
• 可编程充电电流：单电感器时可编程充电电流高达 500mA，双电感器时可达 1A（(V_{IN}=2.7V) 至 5.5V）。

2.2 电压调节与静态电流

• 可选的每节电池调节电压：LTC3625 可选 2.4V/2.65V 调节，LTC3625 - 1 可选 2V/2.25V 调节。
• 低无负载静态电流：仅 23µA，关机时 (I_{VIN}<1µA)。

2.3 封装形式

采用低轮廓的 12 引脚 3mm × 4mm DFN 封装，节省空间。

三、工作原理

3.1 整体架构

LTC3625/LTC3625 - 1 包含一个内部降压转换器（在 (V{IN}) 和 (V{MID}) 之间）和一个内部升压转换器（在 (V{MID}) 和 (V{OUT}) 之间）。降压转换器通过 PROG 引脚由用户编程输出电流，升压转换器的输入电流典型值为 2A。

3.2 降压转换器

降压转换器通过切换降压 PMOS 直到达到峰值电流限制，然后切换降压 NMOS 直到达到谷值电流限制，以滞回方式调节电流。在单电感器应用中，升压 NMOS 与降压 NMOS 配合使用以提高高电流时的效率。正向电流限制设定为 1.1 • (I{BUCK})（典型值），谷值电流限制设定为 0.9 • (I{BUCK})（典型值），自动提供过流限制和反向电流限制保护。

3.3 升压转换器

升压转换器调节固定平均输入电流为 2A（典型值），通过切换升压 NMOS 直到达到 2.12A（典型值）的峰值电流限制，然后切换升压 PMOS 直到达到 1.88A（典型值）的谷值电流限制，以滞回方式调节电流。在单电感器应用中，降压 NMOS 与升压 NMOS 配合使用以提高效率。当 (V{MID}) 低于 (V{MID(GOOD)}) 滞后阈值（典型值 1.2V）时，升压转换器将被禁用。

3.4 单电感器和双电感器操作

• 单电感器操作：当 CTL 引脚连接到 (V_{IN}) 时，LTC3625/LTC3625 - 1 以单电感器模式运行。在这种模式下，同一个电感器用于降压和升压转换器的功率路径，两者不会同时运行。
• 双电感器操作：当 CTL 引脚连接到 GND 时，LTC3625/LTC3625 - 1 以双电感器模式运行。此时，两个电感器分别用于降压和升压转换器的功率路径，两者可以同时运行，大大减少总充电时间，但需要额外的电路板元件。

四、电气特性

文档中详细列出了 LTC3625/LTC3625 - 1 的各项电气特性，包括输入电压范围、欠压锁定、充电器终止电压、充电电流、峰值电流、谷值电流等参数。例如，输入电压范围为 2.7V 至 5.5V，输入欠压锁定（UVLO）典型值在不同 (V{SEL}) 条件下有所不同，充电器终止电压根据 (V{SEL}) 的不同可选 4.8V/5.3V 或 4V/4.5V 等。

由于文库搜索暂时失败，我们先继续介绍应用信息部分。在实际应用中，了解这些电气特性对于正确设计和使用该充电器至关重要。大家在设计时，是否会根据这些特性来选择合适的工作模式和参数呢？

五、应用信息

5.1 编程充电电流/最大输入电流

通过将一个电阻连接在 PROG 引脚和地之间来编程 (C{BOT}) 充电电流。计算公式为 (R{PROG}=h{PROG} cdot frac{1.2V}{I{BUCK}})，其中 (h{PROG}=118,000)（典型值）。当 (R{PROG}) 小于 53.6k 时，LTC3625/LTC3625 - 1 将进入过流保护模式，以 2.65A（典型值）充电。有效降压输入电流可通过公式 (I{VIN}=frac{I{BUCK}}{varepsilon{BUCK}} cdot frac{V{MID}}{V{IN}}) 计算，其中 (varepsilon{BUCK}) 为降压转换器效率。

5.2 输出电压编程

通过 (V_{SEL}) 输入引脚，用户可以将输出阈值电压设置为 4.8V/4.0V 或 5.3V/4.5V。在单电感器应用中，芯片可将超级电容器平衡到彼此相差 50mV（典型值）以内；在双电感器应用中，可平衡到相差 100mV（典型值）以内。

5.3 热管理

当结温超过约 150°C 时，热关断电路会自动停用输出。为降低最大结温，建议将 DFN 封装的暴露焊盘（引脚 13）连接到电路板两层下的接地平面，以降低封装和电路板的热阻。

5.4 元件选择

• (V_{IN}) 电容器选择：建议使用低等效串联电阻（ESR）的多层陶瓷电容器来旁路 (V_{IN})，以减少输入电压纹波。避免使用钽和铝电容器，因为它们的 ESR 较高。
• 电感器选择：对于大多数应用，推荐使用 3.3µH 的电感器。选择具有低直流电阻和足够直流电流额定值的电感器，以确保在正常操作期间不会饱和。
• 超级电容器选择：LTC3625/LTC3625 - 1 设计用于充电每节大于 0.1F 的超级电容器。一般来说，较低电容的电池具有较高的 ESR，因此应使用较低的充电电流。超级电容器单元的 ESR 不应超过 (frac{100mV}{I_{BUCK}})。

5.5 印刷电路板布局注意事项

• 确保 LTC3625/LTC3625 - 1 封装背面的暴露焊盘焊接到电路板接地，以降低热阻。
• 输入电容器、电感器和输出旁路电容器应尽可能靠近 LTC3625/LTC3625 - 1，并且在 IC 及其所有外部高频组件下方应有一个完整的接地平面。
• 减少电感器与 (C{BOT}) 正极端子之间以及 (V{OUT}) 引脚与 (C_{TOP}) 正极端子之间的电阻，以提高充电效率。

六、典型应用

文档中还列举了一些典型应用，如 450mA 充电电流 1 - 电感器应用、太阳能供电的 SCAP 充电器（带 MPPT）、5V 电源穿越和 12V 电源穿越等。这些应用展示了 LTC3625/LTC3625 - 1 在不同场景下的实用性。

总之，LTC3625/LTC3625 - 1 超级电容器充电器为电子工程师提供了一个强大而灵活的解决方案。在设计过程中，我们需要充分考虑其特性、工作原理和应用注意事项，以确保系统的高效运行。大家在实际应用中是否遇到过类似充电器的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。