LTC3108-1：超低電壓升壓轉換器與電源管理器的深度解析

在電子設計領域，高效的電源管理一直是工程師們關注的焦點。特別是在一些對電源要求苛刻的應用場景中，如無線傳感器、能量收集系統等，需要能夠從極低電壓源中獲取能量并進行有效管理的解決方案。Linear Technology的LTC3108-1超低電壓升壓轉換器和電源管理器就是這樣一款出色的產品，下面我們來詳細了解一下它。

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一、產品概述

LTC3108-1是一款高度集成的DC/DC轉換器，專為從極低輸入電壓源（如TEGs（熱電發(fā)生器）、熱電堆和小型太陽能電池）中收集和管理多余能量而設計。它采用升壓拓撲結構，能夠在低至20mV的輸入電壓下工作，為無線傳感和數據采集提供了完整的電源管理解決方案。

1.1 主要特性

• 超低輸入電壓工作：能夠從低至20mV的輸入電壓啟動，這使得它可以利用一些微弱的能量源，如微小的溫度差產生的熱電效應。
• 可選輸出電壓：提供2.5V、3V、3.7V或4.5V的可選輸出電壓，滿足不同負載的需求。
• LDO輸出：具備2.2V的LDO輸出，可提供3mA的電流，為外部微處理器等低功耗設備供電。
• 邏輯控制輸出和備用能量輸出：支持邏輯控制輸出，方便與其他電路進行協同工作；同時提供備用能量輸出，增強系統的可靠性。
• 電源良好指示：通過電源良好指示器（PGD）信號，可判斷主輸出電壓是否在規(guī)定范圍內。
• 緊湊的封裝：采用12引腳（3mm × 4mm）DFN或16引腳SSOP封裝，節(jié)省電路板空間。

1.2 應用領域

LTC3108-1廣泛應用于多個領域，包括但不限于：

• 遠程傳感器和無線電電源：為遠程傳感器和無線電設備提供穩(wěn)定的電源，無需頻繁更換電池。
• 余熱能量收集：在HVAC系統等場景中，收集余熱并轉化為電能，實現能源的有效利用。
• 工業(yè)無線傳感：為工業(yè)無線傳感器提供可靠的電源，提高工業(yè)自動化水平。
• 自動計量：確保自動計量設備的穩(wěn)定運行，減少維護成本。
• 樓宇自動化：為樓宇自動化系統中的各種傳感器和執(zhí)行器提供電源支持。
• 預測性維護：幫助實現設備的預測性維護，提高設備的可靠性和使用壽命。

二、電氣特性

2.1 絕對最大額定值

在使用LTC3108-1時，需要注意其絕對最大額定值，以確保設備的安全運行。例如，SW電壓范圍為–0.3V至2V，VOUT2和VOUT2_EN的電壓范圍為–0.3V至6V等。同時，要注意不同引腳的電壓和電流限制，以及工作結溫范圍（–40°C至125°C）和存儲溫度范圍（–65°C至125°C）。

2.2 電氣參數

LTC3108-1的各項電氣參數在不同條件下有明確的規(guī)定。例如，使用1:100變壓器匝數比時，最小啟動電壓為20mV，無負載輸入電流在特定條件下為3mA等。輸出電壓可通過VS1和VS2引腳進行編程，不同組合可得到2.5V、3V、3.7V或4.5V的輸出電壓。此外，還規(guī)定了LDO輸出電壓、負載調節(jié)、線路調節(jié)、壓降電壓等參數，這些參數對于設計和使用該芯片至關重要。

三、典型性能特性

3.1 輸出電流和效率與輸入電壓的關系

通過典型性能特性曲線可以看出，輸出電流（IVOUT）和效率與輸入電壓（VIN）以及變壓器匝數比密切相關。不同的匝數比（如1:20、1:50、1:100）會影響輸出電流和效率的表現。一般來說，在較低的輸入電壓下，使用較大的匝數比可以獲得更高的輸出電流和效率。

3.2 輸入電阻與輸入電壓的關系

輸入電阻（INPUT RESISTANCE）與輸入電壓和變壓器匝數比也有關系。隨著輸入電壓的降低，輸入電阻會增加，這有助于優(yōu)化從具有幾歐姆源電阻的源（如典型的TEG）的功率傳輸。

3.3 其他性能特性

還包括LDO負載調節(jié)、LDO壓降電壓、VOUT和PGD響應、VOUT紋波等性能特性。這些特性對于評估芯片在不同負載和工作條件下的性能非常重要。

四、引腳功能

4.1 VAUX

VAUX是內部整流電路的輸出和IC的VCC，需要用至少1μF的電容進行旁路。內部有源并聯穩(wěn)壓器將VAUX鉗位在5.25V（典型值）。

4.2 VSTORE

VSTORE用于連接存儲電容或電池。當輸入電壓丟失時，該引腳連接的大電容可為系統供電。它會充電到VAUX的最大鉗位電壓。如果不使用，該引腳應留空或連接到VAUX。

4.3 VOUT

VOUT是轉換器的主輸出，其電壓由VS1和VS2引腳編程選擇?？蛇B接到儲能電容或可充電電池。

4.4 VOUT2

VOUT2是轉換器的開關輸出，可通過VOUT2_EN引腳由主機控制開關。當啟用時，通過1.3Ω的P溝道開關連接到VOUT。該輸出可用于為外部電路（如傳感器和放大器）供電。

4.5 VLDO

VLDO是2.2V LDO的輸出，需要連接一個2.2μF或更大的陶瓷電容到地。如果不使用，該引腳應連接到VAUX。

4.6 PGD

PGD是電源良好輸出。當VOUT在其編程值的7.5%范圍內時，PGD通過1MΩ電阻上拉到VLDO；如果VOUT下降到其編程值的9%以下，PGD將變?yōu)榈碗娖健?/p>

4.7 VS1和VS2

VS1和VS2是VOUT選擇引腳，通過連接到地或VAUX來編程輸出電壓。

4.8 VOUT2_EN

VOUT2_EN是VOUT2的使能輸入，當該引腳驅動為高電平時，VOUT2將被啟用。該引腳有一個內部5M下拉電阻。

4.9 C1和C2

C1是電荷泵和整流電路的輸入，需要連接一個電容到升壓變壓器的次級繞組；C2是N溝道柵極驅動電路的輸入，同樣需要連接一個電容到升壓變壓器的次級繞組。

4.10 SW

SW是內部N溝道開關的漏極，連接到變壓器的初級繞組。

4.11 GND

GND是接地引腳，DFN封裝的暴露焊盤必須焊接到PCB接地平面，以提供接地連接和散熱。

五、工作原理

5.1 振蕩器

LTC3108-1利用MOSFET開關和外部升壓變壓器以及小耦合電容形成諧振升壓振蕩器，能夠將低至20mV的輸入電壓升高到足夠的電壓，為其他電路提供多個穩(wěn)壓輸出電壓。振蕩頻率由變壓器次級繞組的電感決定，通常在10kHz至100kHz范圍內。

5.2 電荷泵和整流器

變壓器次級繞組產生的交流電壓通過外部電荷泵電容（從次級繞組到C1引腳）和LTC3108-1內部的整流器進行升壓和整流。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。

5.3 VAUX

VAUX為LTC3108-1內部的有源電路供電，需要用1μF電容進行旁路。當VAUX超過2.5V時，主VOUT開始充電。內部并聯穩(wěn)壓器將VAUX的最大電壓限制在5.25V（典型值）。

5.4 電壓參考

LTC3108-1包含一個精密的微功耗參考，用于提供準確的穩(wěn)壓輸出電壓。當VAUX超過2V時，該參考開始工作。

5.5 同步整流器

當VAUX超過2V時，與每個內部二極管并聯的同步整流器接管輸入電壓的整流工作，提高效率。

5.6 低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）

LTC3108-1包含一個低電流LDO，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，需要一個2.2μF的陶瓷電容來保證穩(wěn)定性。

5.7 VOUT

VOUT的主輸出電壓由VAUX電源充電，用戶可通過VS1和VS2引腳將其編程為四個穩(wěn)壓電壓之一。當輸出電壓略低于穩(wěn)壓值時，只要VAUX大于2.5V，充電電流就會被啟用；當VOUT達到適當值時，充電電流將關閉。

5.8 PGOOD

電源良好比較器監(jiān)控VOUT電壓。PGD引腳是一個開漏輸出，通過一個弱上拉（1M）連接到LDO電壓。當VOUT充電到其穩(wěn)壓電壓的7.5%范圍內時，PGD輸出將變?yōu)楦唠娖?；如果VOUT下降超過其穩(wěn)壓電壓的9%，PGD將變?yōu)榈碗娖健?/p>

5.9 VOUT2

VOUT2是一個可由主機控制開關的輸出，通過VOUT2_EN引腳進行控制。啟用時，通過1.3Ω的P溝道MOSFET開關連接到VOUT。該輸出可用于為外部電路供電，通過最小化VOUT2上的去耦電容，可以實現更快的開關速度和更小的占空比。

5.10 VSTORE

VSTORE輸出可用于在VOUT達到穩(wěn)壓后對大存儲電容或可充電電池進行充電。當VOUT達到穩(wěn)壓時，VSTORE輸出將充電到VAUX電壓。存儲元件可在輸入源丟失或無法提供所需電流時為系統供電。

5.11 短路保護

LTC3108-1的所有輸出都具有電流限制功能，以防止對地短路。

5.12 輸出電壓排序

通過輸出電壓排序的時序圖可以了解各個輸出的充電和電壓排序情況，確保系統的正常工作。

六、應用信息

6.1 輸入電壓源

LTC3108-1可以從多種低輸入電壓源（如Peltier電池、光伏電池或熱電堆發(fā)生器）獲取能量。不同的輸入電壓源具有不同的特性，需要根據具體應用選擇合適的輸入源。例如，Peltier電池（熱電發(fā)生器）可在溫度差低至1°C的情況下工作，其內部電阻（ESR）通常在1Ω至5Ω范圍內，適合能量收集應用。

6.2 組件選擇

6.2.1 升壓變壓器

升壓變壓器的匝數比決定了轉換器的啟動輸入電壓。使用1:100的匝數比可以實現低至20mV的啟動電壓。變壓器繞組的直流電阻和電感也會影響性能，較高的直流電阻會導致效率降低。推薦的諧振頻率在10kHz至100kHz范圍內。

6.2.2 C1電容

連接到變壓器次級繞組和C1引腳的電荷泵電容會影響轉換器的輸入電阻和最大輸出電流能力。在使用1:100匝數比的變壓器和極低輸入電壓時，建議使用至少1nF的電容。對于較高的輸入電壓和較低的匝數比，可以增加C1電容的值以提高輸出電流能力。

6.2.3 避免振蕩問題

某些類型的振蕩器可能會出現“squegging”現象，LTC3108-1也可能遇到這種情況。通過在C2引腳的耦合電容上并聯一個泄放電阻（阻值范圍為100k至1MΩ）可以避免squegging，推薦使用499k的泄放電阻。

6.2.4 使用外部電荷泵整流器

當輸入電壓較高（通常在250mV或更高）時，使用較低的變壓器升壓比（如1:20和1:10）和較大的C1電容值可以提供更高的輸出電流能力。此時，建議使用外部電荷泵整流器以獲得最佳性能。

6.2.5 VOUT和VSTORE電容

對于脈沖負載應用，VOUT電容的大小應根據負載電流、負載脈沖持續(xù)時間和電路允許的電壓降來確定。VSTORE電容可以是非常大的值，以在輸入電源丟失時提供保持能力。所有用于VOUT和VSTORE的電容應具有低泄漏特性，以減少損耗和充電時間。

6.3 PCB布局指南

由于諧振轉換器的開關頻率較低和功率水平較低，PCB布局不像其他DC/DC轉換器那樣關鍵。但仍需要注意連接到VIN、變壓器初級、SW和GND引腳的線路，以最小化雜散電阻引起的電壓降，并確保能夠承載高達500mA的電流。同時，要盡量減少輸出電壓引腳的泄漏電流。

6.4 設計示例

6.4.1 脈沖負載應用中VOUT存儲電容的計算

在脈沖負載應用（如無線傳感器/發(fā)射器）中，需要計算VOUT存儲電容的大小。例如，當VOUT設置為3V，允許的電壓降為10%（0.3V），負載脈沖持續(xù)時間為1ms，總平均電流為40mA時，根據公式計算出最小所需電容為133μF。同時，還需要計算負載脈沖的最大發(fā)生速率，以確保系統的正常運行。

6.4.2 平均充電電流的計算

在已知負載電流脈沖的持續(xù)時間、大小和頻率的情況下，需要計算LTC3108-1支持平均負載所需的平均充電電流。通過公式可以計算出所需的充電電流，以確保系統能夠滿足負載需求。

七、典型應用

7.1 Peltier供電的遠程傳感器能量收集器

利用Peltier電池作為輸入源，為遠程傳感器提供電源。通過LTC3108-1收集和管理能量，實現傳感器的長期穩(wěn)定運行。

7.2 太陽能電池供電的超級電容充電器和LDO

使用太陽能電池為超級電容充電，并通過LTC3108-1提供穩(wěn)定的電源輸出。在光照條件較低的情況下，LTC3108-1仍能正常工作。

7.3 熱電堆發(fā)生器供電的雙輸出轉換器和LDO

利用熱電堆發(fā)生器作為輸入源，為系統提供雙輸出電壓和LDO輸出。適用于需要多個電壓輸出的應用場景。

7.4 DC輸入能量收集器和電源管理器

對于DC輸入源，LTC3108-1可以作為能量收集器和電源管理器，實現能量的有效利用。

7.5 AC輸入能量收集器和電源管理器

對于AC輸入源，同樣可以使用LTC3108-1進行能量收集和管理。通過適當的電路設計，將AC輸入轉換為穩(wěn)定的DC輸出。

7.6 低剖面（1.5mm）升壓轉換器/收集器

使用1:10變壓器實現低剖面的升壓轉換和能量收集。該應用適用于對空間要求較高的場景。

八、相關部件

文檔中還介紹了一些相關部件，如LTC3108、LTC4070、LTC1041等，這些部件在不同的應用場景中具有各自的特點和優(yōu)勢，可以根據具體需求進行選擇和搭配。

LTC3108-1是一款功能強大的超低電壓升壓轉換器和電源管理器，在能量收集和電源管理領域具有廣泛的應用前景。通過合理選擇組件和優(yōu)化設計，可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，為各種低功耗應用提供可靠的電源解決方案。你在使用LTC3108-1的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。