LTC3108：超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器與電源管理器的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

引言

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，如何高效地從極低電壓源獲取能量并進(jìn)行管理是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。LTC3108作為一款高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器，為解決這一問(wèn)題提供了出色的解決方案。它能夠從如TEGs（熱電發(fā)生器）、熱電偶堆和小型太陽(yáng)能電池等極低輸入電壓源中收集和管理多余能量，適用于各種低功耗無(wú)線傳感器和其他能量收集應(yīng)用。

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產(chǎn)品特性

低電壓?jiǎn)?dòng)與輸出選擇

• 啟動(dòng)電壓低：LTC3108能夠從低至20mV的輸入電壓?jiǎn)?dòng)，這使得它可以利用各種微弱的能量源，如溫差產(chǎn)生的微小電壓。
• 可選輸出電壓：提供2.35V、3.3V、4.1V或5V的可選輸出電壓，滿足不同設(shè)備的電源需求。

  其他特性

• LDO輸出：具備2.2V的LDO輸出，可在3mA電流下穩(wěn)定供電，為外部微處理器等低功耗設(shè)備提供電源。
• 邏輯控制輸出：通過(guò)邏輯信號(hào)控制輸出，方便系統(tǒng)集成和管理。
• 備用能量輸出：設(shè)有備用能量輸出，可在輸入電壓源不可用時(shí)為系統(tǒng)提供電力。
• 電源良好指示：通過(guò)PGD引腳指示主輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)，便于監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。
• 變壓器選擇：使用緊湊型升壓變壓器，減小了設(shè)備體積。
• 封裝形式：提供12引腳（3mm × 4mm）DFN或16引腳SSOP封裝，適合不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

應(yīng)用領(lǐng)域

無(wú)線傳感與數(shù)據(jù)采集

• 遠(yuǎn)程傳感器和無(wú)線電電源：為遠(yuǎn)程傳感器和無(wú)線電設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
• 工業(yè)無(wú)線傳感：在工業(yè)環(huán)境中，為無(wú)線傳感器提供能量，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

  能量收集

• 余熱能量收集：利用余熱產(chǎn)生的微小電壓，將其轉(zhuǎn)換為可用的電能，實(shí)現(xiàn)能量的回收和利用。
• 太陽(yáng)能電池能量收集：在光照強(qiáng)度較低的情況下，仍能從太陽(yáng)能電池中收集能量，為設(shè)備供電。

  其他應(yīng)用

• HVAC系統(tǒng)：為HVAC系統(tǒng)中的傳感器和控制器提供電源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制。
• 自動(dòng)計(jì)量：在自動(dòng)計(jì)量設(shè)備中，為傳感器和通信模塊提供穩(wěn)定的電源，確保計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。
• 樓宇自動(dòng)化：為樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的各種傳感器和執(zhí)行器提供電源，實(shí)現(xiàn)樓宇的智能化管理。
• 預(yù)測(cè)性維護(hù)：在設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)中，為傳感器提供電源，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題。

工作原理

振蕩器

LTC3108利用MOSFET開(kāi)關(guān)和外部升壓變壓器及小耦合電容形成諧振升壓振蕩器，能夠?qū)⒌椭?0mV的輸入電壓提升到足夠高的水平，為其他電路提供多個(gè)穩(wěn)壓輸出電壓。振蕩頻率由變壓器次級(jí)繞組的電感決定，通常在10kHz至100kHz范圍內(nèi)。對(duì)于低至20mV的輸入電壓，建議使用約1:100的初級(jí) - 次級(jí)匝數(shù)比；對(duì)于較高的輸入電壓，匝數(shù)比可以降低。

電荷泵和整流器

變壓器次級(jí)繞組產(chǎn)生的交流電壓通過(guò)外部電荷泵電容（從次級(jí)繞組到C1引腳）和LTC3108內(nèi)部的整流器進(jìn)行升壓和整流。整流電路將電流饋入VAUX引腳，為外部VAUX電容和其他輸出提供電荷。

VAUX電源

LTC3108內(nèi)部的有源電路由VAUX供電，VAUX應(yīng)使用1μF電容進(jìn)行旁路。當(dāng)使用1:50或1:20的匝數(shù)比時(shí)，建議使用更大的電容值。一旦VAUX超過(guò)2.5V，主輸出VOUT開(kāi)始充電。內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器將VAUX的最大電壓限制在典型值5.25V，當(dāng)轉(zhuǎn)換器無(wú)負(fù)載或輸入源產(chǎn)生的功率超過(guò)負(fù)載需求時(shí)，將多余的電流分流到地。

電壓參考

LTC3108包含一個(gè)精密微功耗參考源，用于提供準(zhǔn)確的穩(wěn)壓輸出電壓。一旦VAUX超過(guò)2V，該參考源即開(kāi)始工作。

同步整流器

當(dāng)VAUX超過(guò)2V時(shí)，與每個(gè)內(nèi)部二極管并聯(lián)的同步整流器接管輸入電壓的整流工作，提高了效率。

低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）

LTC3108包含一個(gè)低電流LDO，用于提供2.2V的穩(wěn)壓輸出，為低功耗處理器或其他低功耗IC供電。LDO由VAUX或VOUT中較高的電壓供電，一旦VAUX充電到2.3V，LDO即可開(kāi)始工作，而此時(shí)VOUT存儲(chǔ)電容仍在充電。在LDO輸出出現(xiàn)階躍負(fù)載時(shí)，如果VAUX低于VOUT，電流可以從主VOUT電容獲取。LDO需要一個(gè)2.2μF的陶瓷電容來(lái)確保穩(wěn)定性，使用更大的電容值不會(huì)有限制，但會(huì)增加所有輸出充電的時(shí)間。LDO輸出的電流限制最小為4mA。

VOUT輸出

主輸出電壓VOUT由VAUX電源充電，用戶可以使用電壓選擇引腳VS1和VS2將其編程為四種穩(wěn)壓電壓之一。當(dāng)輸出電壓略低于穩(wěn)壓值時(shí)，只要VAUX大于2.5V，充電電流就會(huì)開(kāi)啟；一旦VOUT達(dá)到合適的值，充電電流就會(huì)關(guān)閉。內(nèi)部可編程電阻分壓器設(shè)置VOUT，無(wú)需使用易受電路板泄漏影響的高值外部電阻。

PGOOD信號(hào)

電源良好比較器監(jiān)測(cè)VOUT電壓。PGD引腳是一個(gè)具有弱上拉（1MΩ）到LDO電壓的開(kāi)漏輸出。一旦VOUT充電到其穩(wěn)壓電壓的7.5%以內(nèi)，PGD輸出將變?yōu)楦唠娖剑蝗绻鸙OUT從其穩(wěn)壓電壓下降超過(guò)9%，PGD將變?yōu)榈碗娖健GD輸出用于驅(qū)動(dòng)微處理器或其他芯片I/O，不適合驅(qū)動(dòng)高電流負(fù)載，如LED。

VOUT2輸出

VOUT2是一個(gè)可以由主機(jī)通過(guò)VOUT2_EN引腳開(kāi)啟和關(guān)閉的輸出。當(dāng)啟用時(shí)，VOUT2通過(guò)一個(gè)1.3Ω的P溝道MOSFET開(kāi)關(guān)連接到VOUT。這個(gè)輸出可以用于為外部電路（如傳感器和放大器）供電，這些電路沒(méi)有低功耗睡眠或關(guān)機(jī)功能。通過(guò)最小化VOUT2上的去耦電容，可以實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度，減少脈沖應(yīng)用（如無(wú)線傳感器/發(fā)射器）中的突發(fā)時(shí)間和占空比。VOUT2具有約5μs的軟啟動(dòng)時(shí)間，以限制電容充電電流，并在VOUT2啟用時(shí)最小化主輸出的干擾。它還具有電流限制電路，將峰值電流限制在典型值0.3A。

VSTORE輸出

VSTORE輸出可用于在VOUT達(dá)到穩(wěn)壓后為大型存儲(chǔ)電容或可充電電池充電。一旦VOUT達(dá)到穩(wěn)壓，VSTORE輸出將充電到VAUX電壓。VSTORE上的存儲(chǔ)元件可在輸入源丟失或無(wú)法提供VOUT、VOUT2和LDO輸出所需電流時(shí)為系統(tǒng)供電。如果VAUX低于VSTORE，LTC3108將自動(dòng)從存儲(chǔ)元件中吸取電流。由于VSTORE的最大電流限制在幾毫安，它可以安全地用于在輸入電壓丟失時(shí)對(duì)NiCd或NiMH可充電電池進(jìn)行涓流充電。但需要注意的是，VSTORE電容不能為VOUT提供大脈沖電流，VOUT上的任何脈沖負(fù)載必須由VOUT電容處理。

短路保護(hù)

LTC3108的所有輸出都具有電流限制功能，以防止對(duì)地短路。

應(yīng)用信息

輸入電壓源

LTC3108可以從多種低輸入電壓源工作，如Peltier電池、光伏電池或熱電偶堆發(fā)生器。具體應(yīng)用所需的最小輸入電壓取決于變壓器匝數(shù)比、負(fù)載功率需求和電壓源的內(nèi)部直流電阻（ESR）。較低的ESR允許使用更低的輸入電壓，并提供更高的輸出功率能力。

• Peltier電池（熱電發(fā)生器）：Peltier電池由大量串聯(lián)的P - N結(jié)組成，夾在兩個(gè)平行的陶瓷板之間。當(dāng)兩個(gè)板處于不同溫度時(shí)，會(huì)利用塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生直流輸出電壓。LTC3108的低電壓能力使其能夠在低至1°C的溫差下從TEG獲取能量，非常適合在兩個(gè)表面之間或表面與環(huán)境溫度之間存在溫差的應(yīng)用中收集能量。大多數(shù)電池的內(nèi)部電阻（ESR）在1Ω至5Ω范圍內(nèi)，允許合理的功率傳輸。
• 熱電偶堆發(fā)生器：熱電偶堆發(fā)生器由多個(gè)串聯(lián)的熱電偶組成，封裝在金屬管中。常用于燃?xì)馊紵鲬?yīng)用中，當(dāng)暴露在火焰的高溫下時(shí)，可產(chǎn)生數(shù)百毫伏的直流輸出。典型的例子有Honeywell CQ200和Q313。這些設(shè)備的內(nèi)部串聯(lián)電阻小于3Ω，在最高額定溫度下可產(chǎn)生高達(dá)750mV的開(kāi)路電壓。由于熱電偶堆發(fā)生器可能產(chǎn)生較高的輸出電壓，因此可以使用較低的變壓器匝數(shù)比（通常為1:20，具體取決于應(yīng)用）。
• 光伏電池：LTC3108轉(zhuǎn)換器也可以在光照強(qiáng)度較低的情況下從單個(gè)光伏電池（也稱為PV或太陽(yáng)能電池）工作，而其他低輸入電壓升壓轉(zhuǎn)換器可能無(wú)法在這種條件下工作。然而，許多變量會(huì)影響這些應(yīng)用的性能，如光照水平、光照類型（陽(yáng)光、白熾燈、熒光燈）和光伏電池類型（單晶硅、多晶硅或薄膜）。因此，必須根據(jù)可用的光照類型和強(qiáng)度選擇合適的光伏電池。需要注意的是，電池的短路輸出電流必須至少為幾毫安才能為L(zhǎng)TC3108轉(zhuǎn)換器供電。

  非升壓應(yīng)用

  LTC3108還可以用作不需要升壓的輸入源的能量收集器和電源管理器。在這些應(yīng)用中，可以省略升壓變壓器。任何峰值電壓超過(guò)2.5V AC或5V DC的源都可以通過(guò)限流電阻連接到C1輸入，在那里進(jìn)行整流/峰值檢測(cè)。在這些應(yīng)用中，C2和SW引腳可以接地或留空。例如，壓電換能器、振動(dòng)能量收集器、低電流發(fā)電機(jī)、低電流太陽(yáng)能電池組或60Hz交流輸入都可以作為輸入源。為了限制流入VAUX并聯(lián)穩(wěn)壓器的最大電流，應(yīng)使用至少100Ω/V的串聯(lián)電阻。

組件選擇

升壓變壓器

電容選擇

• VOUT電容：為了在輸入功率可能丟失時(shí)支持負(fù)載，VOUT需要連接一個(gè)存儲(chǔ)電容。電容值應(yīng)滿足公式[C{OUT }(mu F) geq frac{I{LOAD }(mA) cdot t{PULSE }(ms)}{V{OUT }(V)}]，以確保在脈沖負(fù)載期間能夠提供足夠的能量。同時(shí)，為了保證電容的工作電壓，應(yīng)選擇工作電壓額定值至少為5.5V的電容。

• VSTORE電容：VSTORE電容用于在輸入源丟失時(shí)為系統(tǒng)供電。其電容值可以根據(jù)公式[C{STORE } geq frac{left[6 mu A+I{Q}+I{LDO }+left(I{BURST } cdot t cdot fright)right] cdot TSTORE }{5.25-V_{OUT }}]進(jìn)行計(jì)算，其中6μA是LTC3108的靜態(tài)電流，IQ是VOUT在突發(fā)之間的負(fù)載，ILDO是LDO在突發(fā)之間的負(fù)載，IBURST是突發(fā)期間的總負(fù)載，t是突發(fā)的持續(xù)時(shí)間，f是突發(fā)的頻率，TSTORE是所需的存儲(chǔ)時(shí)間，VOUT是所需的輸出電壓。需要注意的是，對(duì)于編程輸出電壓為5V的情況，VSTORE電容無(wú)法提供有益的存儲(chǔ)時(shí)間。為了最小化損耗和電容充電時(shí)間，所有用于VOUT和VSTORE的電容應(yīng)具有低泄漏特性。一些推薦的存儲(chǔ)電容如下表所示：	供應(yīng)商	型號(hào)/系列
  AVX	BestCap Series TAJ和TPS Series Tantalum
  Cap - XX	GZ Series
  Cooper/Bussmann	KR Series P Series
  Vishay/Sprague	Tantamount 592D 595D Tantalum 150CRZ/153CRV Aluminum 013 RLC (Low Leakage)

PCB布局指南

由于諧振轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率較低且功率水平較低，PCB布局不像許多其他DC/DC轉(zhuǎn)換器那樣關(guān)鍵。然而，仍有一些需要考慮的事項(xiàng)：

• 輸入連接：由于電路可能在非常低的輸入電壓下工作，連接到VIN、變壓器初級(jí)以及LTC3108的SW和GND引腳的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少雜散電阻引起的電壓降，并能夠承受高達(dá)500mA的電流。初級(jí)繞組傳導(dǎo)路徑中的任何小電壓降都會(huì)降低效率并增加電容充電時(shí)間。
• 輸出泄漏：由于LTC3108輸出的充電電流較低，必須盡量減少輸出電壓引腳的泄漏電流源。

設(shè)計(jì)示例

脈沖負(fù)載應(yīng)用中VOUT存儲(chǔ)電容的計(jì)算

在脈沖負(fù)載應(yīng)用（如無(wú)線傳感器/發(fā)射器）中，負(fù)載在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)非常?。娐诽幱诘凸乃郀顟B(tài)），而在發(fā)射突發(fā)期間會(huì)周期性地出現(xiàn)負(fù)載電流突發(fā)。VOUT上的存儲(chǔ)電容在發(fā)射突發(fā)期間支持負(fù)載，而突發(fā)之間的長(zhǎng)睡眠時(shí)間允許LTC3108對(duì)電容進(jìn)行充電。 假設(shè)VOUT設(shè)置為3.3V，發(fā)射突發(fā)期間允許的最大電壓降為10%（即0.33V），發(fā)射突發(fā)的持續(xù)時(shí)間為1ms，突發(fā)期間的總平均電流需求為40mA。根據(jù)公式[C_{OUT }(mu F) geq frac{40 mA cdot 1 ms}{0.33 V}=121 mu F]，可以計(jì)算出VOUT所需的最小電容值。在實(shí)際應(yīng)用中，可以選擇150μF或更大的標(biāo)準(zhǔn)電容值。需要注意的是，該公式忽略了電容ESR對(duì)輸出電壓降的影響。對(duì)于大多數(shù)陶瓷或低ESR鉭電容，在這些負(fù)載電流下ESR的影響可以忽略不計(jì)。 為了計(jì)算負(fù)載突發(fā)的最大發(fā)生速率，需要確定LTC3108 VOUT引腳在給定輸入電壓源下可用的充電電流。這個(gè)值最好通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，因?yàn)橛性S多因素會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的效率。同時(shí)，還需要確定VOUT在睡眠狀態(tài)（突發(fā)之間）的總負(fù)載電流，包括存儲(chǔ)電容的泄漏等損耗。 假設(shè)LTC3108的充電電流為50μA，VOUT在睡眠狀態(tài)下的總電流為17μA（包括電容泄漏），VOUT電容值為150μF。則最大發(fā)射速率（忽略發(fā)射突發(fā)的持續(xù)時(shí)間，通常非常短）可以通過(guò)公式[t=frac{150 mu F cdot 0.33 V}{(50 mu A-17 mu A)}=1.5 sec]計(jì)算得出，即每1.5秒可以支持一次1ms的發(fā)射突發(fā)。

平均充電電流的計(jì)算

在許多脈沖負(fù)載應(yīng)用中，負(fù)載電流突發(fā)的持續(xù)時(shí)間、幅度和頻率是已知且固定的。在這種情況下，需要計(jì)算LTC3108支持平均負(fù)載所需的平均充電電流?？梢允褂霉絒CHG geq I{O}+frac{I{BURST } cdot t}{T}]進(jìn)行計(jì)算，其中I0是外部電路在突發(fā)之間VOUT所需的睡眠電流（包括電容泄漏），IBURST是突發(fā)期間的總負(fù)載電流，t是突發(fā)的持續(xù)時(shí)間，T是發(fā)射突發(fā)速率的周期（即突發(fā)之間的時(shí)間）。 假設(shè)I0 = 5μA，IBURST = 100mA，t = 5ms，T = 1小時(shí)。則LTC3108所需的平均充電電流為[CHG geq 5 mu A+frac{100 mA cdot 0.005 sec}{3600 sec}=5.14 mu A]。因此，如果LTC3108的輸入電壓允許它提供大于5.14μA的充電電流，該應(yīng)用就可以支持每小時(shí)一次持續(xù)5ms的100mA突發(fā)?？梢钥闯?，由于發(fā)射占空比非常?。?.00014%），5μA的睡眠電流是主導(dǎo)因素。對(duì)于3.3V的VOUT，該應(yīng)用所需的平均功率僅為17μW（不包括轉(zhuǎn)換器損耗）。

典型應(yīng)用

基于Peltier電池的遠(yuǎn)程傳感器能量收集器

該應(yīng)用利用Peltier電池產(chǎn)生的微小電壓為遠(yuǎn)程傳感器