LDO 模式 - 超級電容器充電器平衡有關(guān)探討

　　LDO 是一種線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或 FET，從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的LDO（低壓降）穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管（也稱為傳遞設(shè)備）作為 PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右；與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類似。

在 LDO 模式時，通過 FB 引腳用一個外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定輸出電壓 （VOUT），該分壓器網(wǎng)絡(luò)由 RFB1 和 RFB2 組成，而充電電流通過 PROG 引腳用一個外部電阻器 RPROG 設(shè)定。參見圖 2 中所示的方框圖。充電器控制電路由一個恒定電流放大器和一個恒定電壓放大器組成。當啟動該 IC 以給一個已放電的超級電容器組充電時，最初恒定電流放大器起控制作用，并伺服 PROG 引腳電壓至 1V。通過 PROG 電阻器的電流乘以約為 1,000 的檢測 MOSFET （MPSNS） 和功率 MOSFET （MPSW） 之比，以給超級電容器組充電。當輸出電壓 VOUT 接近設(shè)定值時，恒定電壓放大器接管控制權(quán)，而且如果有必要則減少充電電流，以保持 FB 引腳電壓等于一個 1.2V 的內(nèi)部基準電壓。因為 PROG 引腳電流始終約為充電電流的 1/1,000，所以 PROG 引腳電壓持續(xù)指示實際充電電流，即使在恒定電壓放大器起控制作用時也是如此。

　　充電電流曲線 （通常） 模式

　　當 FB 引腳短路到輸入電壓 VIN 時，LTC4425 進入充電電流曲線模式。在這種工作模式時，恒定電壓放大器從內(nèi)部禁止，但是充電電流仍然通過外部 RPROG 電阻器設(shè)定。如果輸入至輸出電壓差 （VIN? – VOUT） 超過 750mV，那么充電器提供的電流是設(shè)定充電電流的 1/10， 以限制芯片內(nèi)的功耗。當 VOUT 進一步上升時，充電器 FET 兩端的電壓變得太低，以至于無法支持滿充電電流。因此充電電流逐步降低，充電器 FET 進入三極管 （符合歐姆定律的） 工作區(qū) （參見圖 3）。既然充電器 FET RDS（ON） 近似為 50mΩ，那么在設(shè)定充電電流為 2A 時，F(xiàn)ET 將進入符合歐姆定律歐姆的區(qū)，且當 VOUT 與 VIN 相差約100mV 以內(nèi)時，充電電流將開始下降。

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　　電壓箝位電路

　　LTC4425 配備的電路可將超級電容器組中兩個超級電容器兩端的電壓限制到最高可允許電壓 VCLAMP。有兩個通過 SEL 引腳可選的 VCLAMP 預(yù)置電壓：2.45V 或 2.7V。就較低的 2.45V VCLAMP 電壓而言，SEL 引腳應(yīng)該設(shè)定為邏輯低電平，而對于較高的 2.7V VCLAMP 電壓，該引腳則應(yīng)設(shè)為邏輯高電平。類似地，如果頂端電容器兩端的電壓 （VTOP） 先達到 VCLAMP，那么 PMOS 并聯(lián)晶體管就接通，并開始從頂端的電容器向底端的電容器泄放電荷。

　　當任一超級電容器兩端的電壓達到與 VCLAMP 相差 50mV 以內(nèi)時，互導(dǎo)放大器就開始線性地降低充電電流。到任一并聯(lián)器件接通時，充電電流降至設(shè)定值的 1/10，而且只要該并聯(lián)器件接通，就保持這個值不變。這是為了防止并聯(lián)器件被過大的熱量損壞。控制并聯(lián)器件的比較器有 50mV 的遲滯，這意味著，當任一電容器兩端的電壓降低 50mV 時，并聯(lián)器件斷開，并以滿充電電流恢復(fù)正常充電，除非受到另一個控制充電器 FET 柵極放大器的限制。如果兩個電容器都超過它們的最大可允許電壓 VCLAMP，那么主充電器 FET 完全關(guān)斷，而且兩個并聯(lián)器件都接通。兩個并聯(lián)器件實際上是電流反射鏡，保證分走比通過充電器 FET 的電流更大的電流。

　　漏電流平衡電路

　　LTC4425 還配備了一個內(nèi)部漏電流平衡放大器 （LBA），該放大器使中點 （即 VMID 引腳） 電壓準確地等于輸出電壓 VOUT 的一半。由于其受限的 1mA 供應(yīng)和吸收能力，它被設(shè)計成用來處理由漏電流引起的超級電容器的輕微失配，而不是用來糾正由缺陷引起的任何嚴重失配。只要有輸入電壓存在，平衡器就工作。有了該內(nèi)部平衡器，就無需外部平衡電阻器了。

　　表 2 比較了凌力爾特超級電容器充電器系列的器件。

　　結(jié)論

　　目前，超級電容器正用于一度由電池主導(dǎo)的應(yīng)用中。最初的應(yīng)用是小電流，不過技術(shù)已經(jīng)進步，超級電容器現(xiàn)在已經(jīng)用于消費類和非消費類市場上多種中到大功率的應(yīng)用。超級電容器與電池相比有很多固有的優(yōu)點，如可提供較高的峰值功率、較長的周期壽命以及較小的外形尺寸。不過，采用超級電容器的產(chǎn)品設(shè)計師面臨很多問題，如需要容量平衡以及潛在的超級電容器過壓損壞。