LTC3350：高性能超級(jí)電容備份控制器與系統(tǒng)監(jiān)控器解析

引言

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，備份電源的可靠性和高效性至關(guān)重要。ADI 的 LTC3350 作為一款高度集成的備份電源控制器和系統(tǒng)監(jiān)控器，為我們提供了一個(gè)強(qiáng)大的解決方案。它能夠?qū)σ坏剿膫€(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容進(jìn)行充電和監(jiān)控，適用于多種高電流、高可靠性的應(yīng)用場(chǎng)景。接下來，我們就深入了解一下這款芯片的特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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芯片特性

充電與能量利用

• 高效同步降壓充電：LTC3350 采用同步降壓控制器，可對(duì)一到四個(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容進(jìn)行恒流/恒壓充電，輸入電流限制可編程，能確保在輸入電源允許的最大電流下為超級(jí)電容充電。
• 升壓模式備份：在輸入電源故障時(shí)，同步控制器可反向作為升壓轉(zhuǎn)換器，將超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量輸送到備份電源軌，實(shí)現(xiàn)高效的能量利用。

  監(jiān)控與保護(hù)

• 14 位 ADC 監(jiān)控：集成 14 位 ADC，可實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)電壓、電流、電容和 ESR 等參數(shù)，通過 I2C/SMBus 接口讀取數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供全面的狀態(tài)信息。
• 主動(dòng)過壓保護(hù)：每個(gè)電容都配備了分流調(diào)節(jié)器，可防止過壓情況發(fā)生，同時(shí)內(nèi)部主動(dòng)平衡器消除了外部平衡電阻的需求，確保電容電壓均衡。

  電氣參數(shù)與封裝

• 寬輸入電壓范圍：輸入電壓 (V{IN}) 范圍為 4.5V 至 35V，每個(gè)電容的 (V{CAP(n)}) 最高可達(dá) 5V，充電/備份電流可達(dá) 10 + A，適用于多種電源環(huán)境。
• 緊湊封裝：采用 38 引腳 5mm × 7mm QFN 封裝，節(jié)省 PCB 空間，且具有 AEC - Q100 認(rèn)證，可用于汽車應(yīng)用。

工作原理

雙向開關(guān)控制器

• 降壓模式：當(dāng) (V_{IN}) 高于 PFI 閾值電壓時(shí)，同步控制器工作在降壓模式，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電。充電過程中，先以恒定電流充電，直到超級(jí)電容達(dá)到由 CAPFB 伺服電壓和電阻分壓器確定的最大充電電壓。同時(shí)，輸入電流限制回路會(huì)根據(jù)輸入電源的能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，確保系統(tǒng)負(fù)載優(yōu)先得到滿足。
• 升壓模式：當(dāng) (V{IN}) 低于 PFI 閾值時(shí)，PFI 比較器使能升壓模式。(V{OUT}) 調(diào)節(jié)由 (V{OUT}) 和 OUTFB 之間的電阻分壓器設(shè)定。輸出理想二極管與升壓模式配合使用，當(dāng)輸入電源移除時(shí)，超級(jí)電容通過輸出理想二極管為 (V{OUT}) 供電。當(dāng) OUTFB 電壓低于 1.3V 時(shí)，輸出理想二極管關(guān)閉，同步控制器開啟，將超級(jí)電容的電壓升壓到 (V_{OUT}) 所需的電壓。

  理想二極管

  LTC3350 具有兩個(gè)理想二極管控制器，驅(qū)動(dòng)外部 N 溝道 MOSFET。輸入理想二極管防止超級(jí)電容在備份模式下反向驅(qū)動(dòng) (V{IN})，輸出理想二極管在輸入電源不可用時(shí)為 (V{OUT}) 提供供電路徑。理想二極管通過精密放大器驅(qū)動(dòng) MOSFET，使正向壓降保持在約 30mV，降低功率損耗。

  其他功能模塊

• 門驅(qū)動(dòng)電源：底部門驅(qū)動(dòng)器由 (DRV{CC}) 引腳供電，通常連接到 (INTV{CC}) 引腳，也可使用外部 LDO 供電以減少芯片內(nèi)部的功率損耗。
• 欠壓鎖定：內(nèi)部欠壓鎖定電路監(jiān)控 (INTV{CC}) 和 (DRV{CC}) 引腳，當(dāng) (INTV{CC}) 高于 4.3V 且 (DRV{CC}) 高于 4.2V 時(shí)，開關(guān)控制器開啟；當(dāng) (INTV{CC}) 低于 4V 或 (DRV{CC}) 低于 3.9V 時(shí)，控制器關(guān)閉。
• 輸入過壓保護(hù)：當(dāng) (V{IN}) 超過 38.6V 時(shí)，開關(guān)控制器關(guān)閉開關(guān) MOSFET；當(dāng) (V{IN}) 低于 37.2V 時(shí)，控制器恢復(fù)開關(guān)操作。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

數(shù)字配置

在基本應(yīng)用中，只需對(duì)分流電壓和電容電壓反饋參考進(jìn)行編程。分流電壓可通過 vshunt 寄存器編程，默認(rèn)值為 2.7V；電容電壓反饋參考默認(rèn)值為 1.2V，可通過 vcapfb_dac 寄存器更改。其他數(shù)字功能如 ADC 自動(dòng)運(yùn)行并存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果，電容和 ESR 測(cè)量可按需啟動(dòng)并可設(shè)置重復(fù)測(cè)量周期。

電容配置

LTC3350 可與一到四個(gè)超級(jí)電容配合使用。若使用少于四個(gè)電容，未使用的 CAP 引腳必須連接到最高使用的 CAP 引腳，并通過 CAP_SLCT0 和 CAP_SLCT1 引腳編程電容數(shù)量。

電流設(shè)置

• 輸入電流：最大輸入電流由 VOUTSP 和 VOUTSN 引腳之間的電阻 (R{SNSI}) 決定，計(jì)算公式為 (I{IN(MAX)}=frac{32 mV}{R_{SNSI}})。
• 充電電流：最大充電電流由與電感串聯(lián)的感測(cè)電阻 (R{SNSC}) 決定，計(jì)算公式為 (I{CHG(MAX)}=frac{32 mV}{R_{SNSC}})。

  電壓設(shè)置

• (V_{CAP}) 電壓：通過外部反饋電阻分壓器設(shè)置，公式為 (V{CAP}=left(1+frac{R{FBC 1}}{R{FBC 2}}right) CAPFBREF)，其中 CAPFBREF 為 (V{CAP}) DAC 的輸出。
• (V_{OUT}) 電壓：在升壓模式下，通過 (V{OUT}) 和 OUTFB 之間的電阻分壓器設(shè)置，公式為 (V{OUT }=left(1+frac{R{F B 01}}{R{F B 02}}right) 1.2 V)。

  元件選擇

• 電感：電感的選擇與開關(guān)頻率相關(guān)，較高的開關(guān)頻率可使用較小的電感值，但會(huì)降低效率。對(duì)于 LTC3350，根據(jù) (V{IN}) 和 (V{CAP}) 的關(guān)系選擇合適的電感值，以確保電感紋波電流不超過最大充電電流的 25%。
• 電容：(V{OUT}) 電容在降壓模式下作為輸入，升壓模式下作為輸出，需根據(jù)備份電流和電壓紋波要求選擇合適的電容值。(V{CAP}) 電容用于過濾電感電流紋波，應(yīng)選擇合適的電容值和類型，以確保電容電壓紋波在可接受范圍內(nèi)。
• 功率 MOSFET：選擇外部 N 溝道功率 MOSFET 時(shí)，需考慮最大漏源電壓、閾值電壓、導(dǎo)通電阻、反向傳輸電容、總柵極電荷和最大連續(xù)漏極電流等參數(shù)。
• 肖特基二極管：可選的肖特基二極管可與 MOSFET 并聯(lián)，防止 MOSFET 體二極管導(dǎo)通，提高效率。但需注意二極管的額定電流和反向擊穿電壓。

PCB 布局

PCB 布局對(duì)芯片的性能至關(guān)重要。應(yīng)確保 MOSFET、肖特基二極管和 (V{OUT}) 電容組成的高 di/dt 回路的走線短而寬，以減少高頻噪聲和電壓應(yīng)力。接地技術(shù)要有效，避免開關(guān)電流路徑穿過 SGND 引腳和 LTC3350 芯片的暴露焊盤。同時(shí)，將 (V{CAP}) 和 (V_{OUT}) 分壓器靠近芯片放置，遠(yuǎn)離開關(guān)元件，并采用 Kelvin 連接確保電流感測(cè)準(zhǔn)確。

典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，如 25V 至 35V、6.4A 超級(jí)電容充電器，具有 2A 輸入電流限制和 28V、50W 備份模式；11V 至 20V、16A 超級(jí)電容充電器，具有 6.4A 輸入電流限制和 10V、60W 備份模式等。這些電路展示了 LTC3350 在不同電源和負(fù)載條件下的應(yīng)用，為工程師提供了實(shí)際設(shè)計(jì)的參考。

相關(guān)產(chǎn)品

ADI 還提供了一系列相關(guān)的電源管理產(chǎn)品，如 LTC3128、LTC3226、LTC3355、LTC3625 和 LTC4110 等。這些產(chǎn)品在功能和應(yīng)用場(chǎng)景上各有特點(diǎn)，可根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

總結(jié)

LTC3350 是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的備份電源控制器和系統(tǒng)監(jiān)控器。它通過高效的充電和能量管理、全面的監(jiān)控和保護(hù)功能以及靈活的配置選項(xiàng)，為高電流、高可靠性的應(yīng)用提供了可靠的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇元件、設(shè)置參數(shù)和進(jìn)行 PCB 布局，以充分發(fā)揮 LTC3350 的性能優(yōu)勢(shì)。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。