2A超级电容器充电器平衡和保护便携式应用中的超级电容器

LTC4425 是凌力尔特的两节超级电容器充电器系列的新器件，用于在便携式和数据存储应用中满足大峰值功率、数据备份和"谨守最后一刻" 应用的需求。该器件采用具热量限制的线性恒定电流、恒定电压架构，用锂离子/聚合物电池、USB 端口或 2.7V 至 5.5V 电流受限电源将两节串联的超级电容器充电至可编程的输出电压。LTC4425 有两种工作模式：充电电流曲线 (通常) 模式和 LDO 模式。充电电流曲线模式用随输入至输出压差反向变化的充电电流，将超级电容器组中的顶端电容器充电至输入电压 V_IN，而 LDO 模式以固定充电电流将电容器组中的顶端电容器充电至外部设定的输出电压，该固定充电电流也是外部可编程的。充电电流可用电阻器编程至 2A (3A 峰值)，而且每个电容器都受到内部分路器保护以免过压损坏 (2.45V/2.7V 可选)。该 IC 内置的电流受限的理想二极管具有极低的 50mΩ 导通电阻，以防止 V_IN 向后驱动，并使该器件适合于多种大峰值功率电池及 USB 供电设备、工业 PDA、便携式仪表和监视设备、功率计、超级电容器备份电路以及 PC 卡/USB 调制解调器。

LTC4425 的自动容量平衡功能保持两节电容器有相等的电压，从而无需容量平衡电阻器，同时保护每节超级电容器免受过压损坏，并最大限度地降低电容器上的漏电流。当输出电压处于稳定状态时，该 IC 以非常低的 20uA 静态电流工作，而且停机时仅从 V_IN 和 V_OUT 两者之中较高的一个吸取 2uA 电流。基本充电电路仅需要 6 个外部组件，是非常紧凑的。其他关键特点包括一个 V_IN 电源失效指示器以及通过 PROG 引脚连续监视 V_IN 至 V_OUT 的电流。额外的保护功能包括：在温度过高情况下降低充电电流和热量限制；V_IN 至 V_OUT 电流限制。

LTC4425 采用两种紧凑、耐热增强型封装：12 引线、扁平 (高度仅为 0.75mm) 3mm x 3mm DFN 封装；12 引线 MSOP 封装。该器件在 -40°C 至 125°C 结温范围内工作。

图 1：LTC4425 方框图/应用电路

Li-Ion：锂离子电池

FROM：来自

TO HIGH PEAK POWER LOAD：至大峰值功率负载

LDO 模式

在 LDO 模式时，通过 FB 引脚用一个外部电阻分压器网络设定输出电压 (V_OUT)，该分压器网络由 RFB1 和 RFB2 组成，而充电电流通过 PROG 引脚用一个外部电阻器 RPROG 设定。参见图 2 中所示的方框图。充电器控制电路由一个恒定电流放大器和一个恒定电压放大器组成。当启动该 IC 以给一个已放电的超级电容器组充电时，最初恒定电流放大器起控制作用，并伺服 PROG 引脚电压至 1V。通过 PROG 电阻器的电流乘以约为 1,000 的检测 MOSFET (MPSNS) 和功率 MOSFET (MPSW) 之比，以给超级电容器组充电。当输出电压 V_OUT 接近设定值时，恒定电压放大器接管控制权，而且如果有必要则减少充电电流，以保持 FB 引脚电压等于一个 1.2V 的内部基准电压。因为 PROG 引脚电流始终约为充电电流的 1/1,000，所以 PROG 引脚电压持续指示实际充电电流，即使在恒定电压放大器起控制作用时也是如此。

图 2：LTC4425 方框图

BANDGAP REFERENCE：带隙基准

IDEAL DIODE CONTROLLER：理想二极管控制器

CHARGE CURRENT PROFILE GENERATOR：充电电流曲线发生器

CHARGE CURRENT：充电电流

CONSTANT-VOLTAGE/CONSTATN-CURRENT/CONSTANT-TEMPERATURE CHARGER CIRCUITRY：恒定电压/恒定电流/恒定温度充电器电路

VOLTAGE CLAMP CIRCUITRY：电压箝位电路

LEAKAGE BALLANCER：漏电流平衡器

COMPARATOR：比较器

PGOOD COMPARATOR：PGOOD比较器

OSCILLATOR：振荡器

TIMER：定时器

CHARGER ENABLE：充电器使能

充电电流曲线 (通常) 模式

当 FB 引脚短路到输入电压 V_IN 时，LTC4425 进入充电电流曲线模式。在这种工作模式时，恒定电压放大器从内部禁止，但是充电电流仍然通过外部 RPROG 电阻器设定。如果输入至输出电压差 (V_IN – V_OUT) 超过 750mV，那么充电器提供的电流是设定充电电流的 1/10， 以限制芯片内的功耗。当 V_OUT 在 250mV 以内或较接近 V_IN 时，随着这个电压差从 750mV 开始下降，充电电流线性增大至其满设定值。当 V_OUT 进一步上升时，充电器 FET 两端的电压变得太低，以至于无法支持满充电电流。因此充电电流逐步降低，充电器 FET 进入三极管 (符合欧姆定律的) 工作区 (参见图 3)。既然充电器 FET R_DS(ON) 近似为 50mΩ，那么在设定充电电流为 2A 时，FET 将进入符合欧姆定律欧姆的 (三极管) 区，且当 V_OUT 与 V_IN 相差约100mV 以内时，充电电流将开始下降。