具 1.3μA 超低靜態(tài)電流的 15V 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器

由于支持物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器激增，所以針對(duì)無線低功率設(shè)備而定制的小型、高效率電源轉(zhuǎn)換器的需求也增大了。最新的 LTC3129 和 LTC3129-1 設(shè)計(jì)滿足了這種需求。LTC3129 和 LTC3129-1 均是單片降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為 2.42V 至 15V。LTC3129 的輸出電壓范圍為 1.4V 至 15.75V，而 LTC3129-1 有 8 個(gè)引腳可選的固定輸出電壓 (在 1.8V 至 15V)。這兩款器件在降壓模式都提供了 200mA 最低輸出電流。

LTC3129 和 LTC3129-1 在禁止工作時(shí)電流為零 (VIN 和 VOUT 均為零)，而當(dāng)選擇省電的突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作時(shí)，VIN 的靜態(tài)電流僅為 1.3µA，這些特點(diǎn)使低功率傳感器非常受益，因此這兩款器件非常適合微功率和能量收集應(yīng)用，在這類應(yīng)用中，高效率和極輕負(fù)載是至關(guān)重要。這兩款器件的降壓-升壓型架構(gòu)使它們非常適合多種電源。

LTC3129 和 LTC3129-1 的其他關(guān)鍵特點(diǎn)包括固定 1.2MHz 工作頻率、電流模式控制、內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償、自動(dòng)突發(fā)模式工作或低噪聲 PWM 模式工作、準(zhǔn)確的 RUN 引腳門限以允許設(shè)定 UVLO 門限、電源良好輸出和 MPPC (最大功率點(diǎn)控制) 功能以從光伏電池供電時(shí)優(yōu)化功率傳送。

緊湊的 3mm x 3mm QFN 封裝和高集成度使得 LTC3129 / LTC3129-1 在空間受限的應(yīng)用中擺放更為容易。用這兩款器件完成電源設(shè)計(jì)僅需要為數(shù)不多的幾個(gè)外部組件和一個(gè)電感器，而且這些外部組件可以小至 2mm x 3mm。內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償進(jìn)一步簡化了設(shè)計(jì)流程。

3.3V 轉(zhuǎn)換器靠室內(nèi)光照條件用小型太陽能電池工作

圖 1 電路利用了 LTC3129 和 LTC3129-1 獨(dú)特的能力，可采用低至 7.5µW 的輸入電源啟動(dòng)和運(yùn)行，這使它們能夠用小型 (不到 1 平方英寸) 低成本太陽能電池、靠不到 200 流明的室內(nèi)光級(jí)別的光照工作。這使由室內(nèi)光供電的無線傳感器等應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，在這類應(yīng)用中，由于工作時(shí)占空比非常低，所以 DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須從非常低的可用功率支持極低的平均功率要求，同時(shí)盡可能少地消耗功率。

圖 1：3.3V 太陽能供電的轉(zhuǎn)換器靠室內(nèi)光工作

為了實(shí)現(xiàn)這種低電流啟動(dòng)，LTC3129 和 LTC3129-1 僅吸取非常小的 2µA 電流 (停機(jī)時(shí)更小)，直至滿足以下 3 個(gè)條件為止：

lRUN 引腳電壓必須超過 1.22V (典型情況)

lVIN 引腳電壓必須超過 1.9V (典型情況)

lVCC 電壓 (在內(nèi)部靠 VIN 產(chǎn)生，不過也可以從外部提供) 必須超過 2.25V (典型情況)

直至所有這 3 個(gè)條件都滿足為止，該器件始終處于 “軟停機(jī)” 或備用狀態(tài)，僅吸取 2µA 電流。

這就允許功率微弱的輸入源給輸入存儲(chǔ)電容器充電，直至電容器電壓足夠高以滿足前述 3 個(gè)條件為止，這時(shí)，LTC3129 / LTC3129-1 開始切換，如果輸入電容器存儲(chǔ)了充足的能量，那么 VOUT 上升至穩(wěn)定值。利用 RUN 引腳上的外部電阻分壓器，輸入電壓可以設(shè)定為 2.4V 至 15V 之間的任意值，在這個(gè)設(shè)定電壓值上，該器件退出 UVLO 狀態(tài)。RUN 引腳電流典型值低于 1nA，因此可以使用電阻值很大的電阻器，以最大限度降低 VIN 端吸取的電流。

在圖 1 所示應(yīng)用實(shí)例中，一旦轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，存儲(chǔ)在 CIN 中的能量就用來使 VOUT 進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。如果 VOUT 的平均功率需求低于太陽能電池提供的功率，那么 LTC3129 / LTC3129-1 就保持突發(fā)模式工作，VOUT 保持穩(wěn)定狀態(tài)。

如果平均輸出功率需求超過可用輸入功率，那么 VIN 降低，直至達(dá)到 UVLO 為止，在這個(gè)點(diǎn)上，轉(zhuǎn)換器重新進(jìn)入軟停機(jī)狀態(tài)。也是在這個(gè)點(diǎn)上，VIN 開始再充電，從而允許周期重復(fù)。在這種打嗝模式工作中，VIN 遲滯地設(shè)定在大約 UVLO 點(diǎn)，在這實(shí)例中，VIN 紋波大約為 290mV。這個(gè)紋波是由 RUN 引腳的 100mV 遲滯設(shè)定的，由 UVLO 分壓比而獲得。

請注意，通過針對(duì)選定太陽能電池，將轉(zhuǎn)換器的 UVLO 電壓設(shè)定為 MPP (最大功率點(diǎn)) 電壓 (典型情況下為 70% 至 80% 開路電壓)，太陽能電池可以始終靠近最大功率傳輸電壓工作 (除非平均負(fù)載要求低于太陽能電池的功率輸出，在這種情況下，VIN 上升，并保持高于 UVLO 電壓)。

為了進(jìn)一步優(yōu)化效率和消除不必要的 VOUT 負(fù)載，LTC3129 / LTC3129-1 在軟啟動(dòng)或任何時(shí)候選擇了突發(fā)模式時(shí)都不從 VOUT 吸取電流。這防止了轉(zhuǎn)換器在軟啟動(dòng)時(shí)給 VOUT 放電，因此保持了輸出電容器上的電量。實(shí)際上，當(dāng) LTC3129 處于休眠狀態(tài)時(shí)，在 VOUT 端根本就不吸取電流。就 LTC3129-1 而言，由于存在高阻抗內(nèi)部反饋分壓器，VOUT 端吸取低于微安級(jí)電流。

增加電池備份

在很多太陽能供電應(yīng)用中，當(dāng)太陽能電池功率不足時(shí)，由備份電池供電。圖 2 顯示了一個(gè)應(yīng)用，與之前的實(shí)例相比，本圖中轉(zhuǎn)換器增加了一個(gè)硬幣型鋰離子主電池和幾個(gè)外部組件，以在萬一光源不能提供維持 VOUT 所需的必要功率時(shí)，作為備份電源使用。在這個(gè)例子中使用了 LTC3129，允許 VOUT 針對(duì) 3.2V 來設(shè)定，以更好地與硬幣型電池電壓相匹配。

圖 2：使用硬幣型備份電池的太陽能供電轉(zhuǎn)換器

在這個(gè)例子中，電池放置在轉(zhuǎn)換器的輸出端，設(shè)定 LTC3129 以調(diào)節(jié) VOUT 略高于電池電壓。這樣就可確保，無論何時(shí)，只要 VOUT 可以有太陽能輸入供電，在電池就沒有負(fù)載。萬一由于給負(fù)載供電的光照不足而導(dǎo)致 VOUT 下降，那么 LTC3129 的 PGOOD 輸出就降低，負(fù)載就從轉(zhuǎn)換器輸出端切換到電池端，從而保持 VOUT 等于電池電壓，轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出電容器能夠進(jìn)行再充電 (如果有光照可用)，從而使負(fù)載能夠借助 PGOOD 信號(hào)周期性地從電池切換至轉(zhuǎn)換器。采用這種方法以后，負(fù)載會(huì)盡可能由太陽能輸入供電，電池則僅以分時(shí)方式使用，從而延長了電池壽命。[!--empirenews.page--]

在 VCC (因此也是 PGOOD) 有效之前，連接從 PGOOD 至 VCC 的二極管用來在啟動(dòng)時(shí)保持 PGOOD 為低電平。

選擇在哪里放置備份電池

在前述例子中，備份電池放置在輸出端。就輕負(fù)載應(yīng)用而言，這么做的優(yōu)點(diǎn)是，電池不會(huì)暴露于相對(duì)較高的轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)輸入電流突發(fā)之下，因?yàn)殡姵赜锌赡苁堑腿萘亢途吒邇?nèi)部阻抗。這種突發(fā)會(huì)導(dǎo)致較大幅的電池電壓下降和內(nèi)部功耗，從而縮短電池壽命。

將備份電池放置在轉(zhuǎn)換器輸出端的缺點(diǎn)是，電池電壓與想要的輸出電壓必須良好匹配，電池必須具備相對(duì)平坦的放電曲線，以便合理保持 VOUT 穩(wěn)定。3V 鋰離子電池滿足所有這些要求。

將備份電池放置在轉(zhuǎn)換器的輸入端，允許電池電壓與想要的輸出電壓不同，但是電池必須能夠承受轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)或負(fù)載瞬態(tài)時(shí)產(chǎn)生的較大電流。備份電池如果放置在輸入端，那么就長壽命應(yīng)用而言，鋰亞硫酰氯電池一般是較好的選擇。它可以與太陽能電池進(jìn)行二極管 “合路” 連接，或者用類似于圖 2 所示的方法，用 MOSFET 開關(guān)連接和斷接備份電池。

5V 轉(zhuǎn)換器無縫地用各種輸入源工作

圖 3 說明，LTC3129-1 能夠以最少的外部組件，在多種負(fù)載和輸入電壓情況下以高效率工作。在這個(gè)例子中，輸出已經(jīng)用 VS1 – VS3 引腳針對(duì) 5V 電壓設(shè)定，可以由 5V USB 輸入、各種電池或者 3V 至 15V 交流適配器供電。在軍用無線電設(shè)備等至關(guān)重要的現(xiàn)場應(yīng)用中，能夠靈活無縫地用多種電源工作是非常有價(jià)值的。

圖 3：多輸入 5V 轉(zhuǎn)換器

LTC3129-1 在休眠模式時(shí) IQ 僅為很低的 1.3µA，加之高阻抗內(nèi)部反饋分壓器，所以該器件能夠在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率，如圖 4 所示。當(dāng)負(fù)載電流僅為 100µA 時(shí)，效率在幾乎整個(gè) VIN 范圍內(nèi)均為大約 80%。這個(gè)特點(diǎn)很重要，在大量時(shí)間處于低功率狀態(tài)的應(yīng)用中，可延長電池壽命。

圖 4：圖 3 所示 5V 轉(zhuǎn)換器的效率隨 VIN 和負(fù)載的變化

電壓階躍響應(yīng) (VIN 從 5V 階躍至 12V) 如圖 5 所示，圖中顯示了重負(fù)載和輕負(fù)載情況下的 VOUT。在 200mA 負(fù)載時(shí)，該器件以 PWM 模式工作，VOUT 過沖僅為 150mV (3%)。在 10mA 負(fù)載時(shí)，該器件以突發(fā)模式工作，突發(fā)紋波為 100mVPK-PK (2%)，由于電壓階躍而產(chǎn)生了低于 100mV 的 VOUT 過沖。

圖 5：圖 3 所示 5V 轉(zhuǎn)換器的電壓瞬態(tài)響應(yīng)

VCC 引腳是內(nèi)部 LDO 的輸出，從 VIN 產(chǎn)生標(biāo)稱 3.9V 電壓以給 IC 供電。這個(gè) LDO 設(shè)計(jì)為可以從外部向后驅(qū)動(dòng)至高達(dá) 5V。本例中顯示，在 VOUT 至 VCC 之間連接了一個(gè)可選自舉二極管。

增加這個(gè)外部自舉二極管有兩個(gè)優(yōu)勢。首先，它提高了低 VIN 時(shí)的效率，并通過向內(nèi)部開關(guān)提供更高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓以提供很大的負(fù)載電流，從而降低了 RDS(ON)。另外，在高 VIN 和輕負(fù)載時(shí)，它通過降低用來產(chǎn)生 VCC 內(nèi)部 LDO 中的功率損耗以提高效率。(請注意，VCC 引腳禁止升高至高于 6V，所以它不能用二極管連接至更高的輸出電壓。)

增加一個(gè)自舉二極管的第二個(gè)優(yōu)勢是，允許以較低的 VIN 工作。啟動(dòng)之后，如果 VCC 保持高于其 2.2V 最低值 (在本例中靠輸出電壓保持)，那么轉(zhuǎn)換器就能夠以低至 1.75V 的更低輸入電壓工作，在這里達(dá)到了固定的內(nèi)部 VIN UVLO 門限。這種能力使可用電壓范圍有了足夠大的擴(kuò)展，因此有可能用兩個(gè)幾乎沒電的堿性電池運(yùn)行。請注意，如果電池電壓低于 2.4V，轉(zhuǎn)換器關(guān)斷 (或者 VOUT 短路)，那么該 IC 就不能重新啟動(dòng)。

具 MPPC 的室外太陽能電池轉(zhuǎn)換器 / 充電器

LTC3129 和 LTC3129-1 包括最大功率點(diǎn)控制 (MPPC) 功能，允許轉(zhuǎn)換器跟隨 VIN 至低于負(fù)載的最低電壓 (用戶設(shè)定)。應(yīng)用如果采用較大電流的太陽能電池或其他內(nèi)部阻抗很高的電源，那么調(diào)節(jié) VIN 可保持最佳功率傳輸。當(dāng)用電流受限的電源工作時(shí)，這個(gè)功能防止轉(zhuǎn)換器導(dǎo)致輸入電壓崩潰。

MPPC 控制環(huán)路是通過降低轉(zhuǎn)換器控制的平均電感器電流而工作，因此可保持所設(shè)定的最低 VIN 電壓低于負(fù)載電壓。這個(gè)電壓用一個(gè)連接至 VIN 和 MPPC 引腳的外部電阻器分壓器設(shè)定，如圖 6 的超級(jí)電容器充電實(shí)例所示。MPPC 控制環(huán)路設(shè)計(jì)為，用 22µF 最小輸入電容可穩(wěn)定。

圖 6：具最大功率點(diǎn)控制的室外太陽能電池供電超級(jí)電容器充電器

請注意，如果輸出電壓驅(qū)動(dòng)常規(guī)負(fù)載，那么使電感器電流降至低于 MPPC 點(diǎn)的電流會(huì)導(dǎo)致輸出電壓下降。因此，大多數(shù)具 MPPC 的應(yīng)用都涉及到用太陽能電池給一個(gè)大型存儲(chǔ)電容器充電 (或者給電池涓流充電) 的問題。MPPC 功能保證，電容器或電池以最大電流充電，同時(shí)使太陽能電池以最大功率點(diǎn)電壓工作。

有一點(diǎn)很重要，請注意，當(dāng) LTC3129 / LTC3129-1 處于 MPPC 控制狀態(tài)時(shí)，突發(fā)模式工作是禁止的，而且 VIN 靜態(tài)電流為幾毫安，因?yàn)樵? IC 以 1.2MHz 連續(xù)地切換。因此，MPPC 不適合與不能提供約 10mA 最小電流的電源一起使用。就需要類似 MPPC 功能但輸入電源電流能力很弱的應(yīng)用而言，準(zhǔn)確的 RUN 引腳應(yīng)該用來設(shè)定一個(gè) UVLO 門限，如圖 1 例子所述。[!--empirenews.page--]

使用 MPPC 實(shí)現(xiàn)固有安全性

MPPC 功能可用在其他應(yīng)用中，包括用來提供固有安全性的應(yīng)用，在這類應(yīng)用中，輸入電源與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之間有一個(gè)串聯(lián)限流電阻器。在這種情況下，MPPC 環(huán)路防止 LTC3129 / LTC3129-1 吸取太大的電流，尤其是在啟動(dòng)且輸出電容器正在充電時(shí)，還防止導(dǎo)致輸入電壓崩潰。圖 7 顯示了一個(gè)這樣的例子，其中輸入電壓保持在 3V 最低值，如 MPPC 分壓器所設(shè)定的那樣。

圖 7：用 MPPC 實(shí)現(xiàn)固有安全應(yīng)用的 3.3V 轉(zhuǎn)換器

在這種情況下，為安全起見，輸入電容器的值限制到僅為 10µF (低于使用 MPPC 時(shí)所推薦的 22µF 最低值)，因此給 MPPC 引腳增加了一個(gè)額外的 RC 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以提高 MPPC 環(huán)路的相位裕度。

用 MPPC 實(shí)現(xiàn)輸入電流限制

請注意，MPPC 功能可用來將最大輸入電流設(shè)定為給定值。通過選擇串聯(lián)輸入電阻器的值，并將 MPPC 電壓設(shè)定為低于固定輸入電源電壓的值，最大輸入電流就可以限制為：

IIN = (VSOURCE – VMPPC) / RSERIES

結(jié)論

LTC3129 和 LTC3129-1 單片降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供真實(shí)世界無線傳感器及便攜式電子儀器所需的卓越低功率性能和電源靈活性。如果與能量收集系統(tǒng)一起使用，那么超低 1.3µA 靜態(tài)電流和高轉(zhuǎn)換效率可無限期地延長電池壽命。

通過選擇最大功率點(diǎn)控制方案，可以針對(duì)多種電源優(yōu)化電源性能。由于無線監(jiān)視應(yīng)用覆蓋范圍日益擴(kuò)大，因此需要易用、高效和靈活的 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器解決方案。LTC3129 和 LTC3129-1 已經(jīng)準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)。