探索 LTC3221 系列：低功耗電荷泵的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，為低功耗設(shè)備尋找合適的電源解決方案是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。今天，我們將深入探討 Linear Technology 公司的 LTC3221 系列微功率穩(wěn)壓電荷泵，看看它如何在眾多電源方案中脫穎而出。

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產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

超低功耗設(shè)計(jì)

LTC3221 系列的一大顯著特點(diǎn)就是超低功耗。在無負(fù)載情況下，其典型工作電流僅為 8μA，關(guān)機(jī)電流更是小于 1μA。這種低功耗特性使得它在電池供電的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，能夠有效延長(zhǎng)電池的使用壽命。例如，在一些對(duì)功耗極為敏感的設(shè)備，如胎壓傳感器、葡萄糖測(cè)量?jī)x等中，LTC3221 可以在保證設(shè)備正常運(yùn)行的同時(shí)，最大程度地降低能源消耗。

穩(wěn)壓輸出能力

該系列提供了 3.3V ±4% 和 5V ±4% 的固定輸出電壓版本，同時(shí)還有可調(diào)節(jié)版本?？烧{(diào)節(jié)版本通過 FB 引腳，配合外部電阻分壓器，能夠靈活編程所需的輸出電壓。輸入電壓范圍也較為寬泛，LTC3221 - 3.3 的輸入電壓范圍為 1.8V 至 4.4V，LTC3221 - 5 則為 2.7V 至 5.5V，能夠適應(yīng)多種不同的電源輸入情況。輸出電流最大可達(dá) 60mA，能夠滿足大多數(shù)低功耗設(shè)備的供電需求。

無需電感

與傳統(tǒng)的開關(guān)電源不同，LTC3221 系列不需要電感，僅需一個(gè)飛跨電容和兩個(gè)小的旁路電容（分別位于 VIN 和 VOUT 端），大大減少了外部元件的數(shù)量，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和成本。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)也使得整個(gè)解決方案的高度小于 1mm，非常適合對(duì)空間要求苛刻的應(yīng)用。

多種保護(hù)功能

LTC3221 系列具備多種保護(hù)功能，如短路保護(hù)、關(guān)斷時(shí)將負(fù)載與 VIN 斷開等。在短路情況下，輸出電流會(huì)被限制在約 120mA，避免了芯片因過熱而損壞。關(guān)斷功能可以在不需要供電時(shí)，將負(fù)載與輸入電源斷開，進(jìn)一步降低功耗。

典型應(yīng)用場(chǎng)景

低功耗電源轉(zhuǎn)換

在由 2 節(jié) AA 電池供電的設(shè)備中，LTC3221 可以將電池電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 3.3V 電源，為內(nèi)存?zhèn)浞莸饶K提供可靠的供電。在鋰離子電池供電的設(shè)備中，它又可以將電池電壓轉(zhuǎn)換為 5V 電源，為射頻發(fā)射器等模塊供電。

傳感器供電

胎壓傳感器、葡萄糖測(cè)量?jī)x等設(shè)備對(duì)功耗和空間要求都很高，LTC3221 的低功耗和小尺寸特性使其成為這些設(shè)備的理想電源解決方案。

電氣特性詳解

輸入輸出電壓

不同型號(hào)的 LTC3221 對(duì)輸入電壓有不同的要求。LTC3221 - 3.3 的輸入電壓范圍為 1.8V 至 4.4V，在這個(gè)范圍內(nèi)，當(dāng)輸出電流不超過 25mA 或 60mA 時(shí)，輸出電壓能夠穩(wěn)定在 3.3V ±4%。LTC3221 - 5 的輸入電壓范圍為 2.7V 至 5.5V，輸出電壓穩(wěn)定在 5V ±4%。

工作電流

在無負(fù)載情況下，各型號(hào)的典型工作電流都很低，LTC3221 - 3.3 和 LTC3221 - 5 為 8μA，LTC3221 為 5μA。這種低工作電流使得設(shè)備在待機(jī)狀態(tài)下的功耗極低。

輸出紋波

輸出紋波是衡量電源穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。在最大負(fù)載下，LTC3221 - 3.3 在 (V_{IN} = 2V) 時(shí)，使用 4.7μF 6.3V X5R 0603 輸出電容，典型的輸出紋波為 35mVp - p。通過合理選擇輸出電容的大小和類型，可以進(jìn)一步降低輸出紋波。

性能特性分析

振蕩器頻率

振蕩器頻率與電源電壓、溫度和 SHDN 閾值電壓等因素有關(guān)。不同的電源電壓和溫度條件下，振蕩器頻率會(huì)有所變化。了解這些變化規(guī)律有助于工程師在不同的工作環(huán)境下，優(yōu)化電路的性能。

負(fù)載調(diào)節(jié)特性

負(fù)載調(diào)節(jié)特性反映了電源在負(fù)載變化時(shí)的輸出電壓穩(wěn)定性。LTC3221 系列在不同的負(fù)載電流下，能夠保持輸出電壓在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，確保設(shè)備的正常工作。

應(yīng)用注意事項(xiàng)

電容選擇

電容的選擇對(duì) LTC3221 的性能影響很大。輸入和輸出電容應(yīng)選擇低 ESR（等效串聯(lián)電阻）的陶瓷或鉭電容，推薦值為 2.2μF 或更大。飛跨電容必須使用低 ESR 陶瓷電容，且不能使用極化電容，如鉭電容或鋁電容，因?yàn)樵?LTC3221 啟動(dòng)時(shí)，其電壓可能會(huì)反轉(zhuǎn)。對(duì)于輸出電容，為了降低輸出紋波，建議使用 4.7μF 或更大的電容。

布局設(shè)計(jì)

由于 LTC3221 工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻開關(guān)和高瞬態(tài)電流，因此電路板布局非常關(guān)鍵。應(yīng)使用真正的接地平面，并確保所有電容的連接盡可能短，以提高性能并確保在各種條件下的正常調(diào)節(jié)。飛跨電容的引腳 (C^{+}) 和 (C^{-}) 會(huì)產(chǎn)生高邊沿速率的波形，可能會(huì)對(duì)相鄰的 PCB 線路產(chǎn)生電容耦合和磁場(chǎng)干擾?？梢允褂梅ɡ谄帘危ń拥氐?PC 走線）來減少電容耦合能量的傳遞。

輸出電壓編程

對(duì)于可編程的 LTC3221，可以通過外部電阻分壓器來設(shè)置所需的輸出電壓。電阻分壓器的比例應(yīng)根據(jù)所需的輸出電壓進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)要注意電阻值的選擇，以確保靜態(tài)電流在合適的范圍內(nèi)，避免 FB 引腳對(duì)開關(guān)噪聲過于敏感。

高溫降額

在高功率應(yīng)用中，為了防止芯片過熱，需要根據(jù)環(huán)境溫度和功率耗散的關(guān)系進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。LTC3221 系列在 2mm × 2mm DFN 封裝下，最大熱阻 (theta_{JA}) 為 80°C/W。通過合理的 PCB 布局和散熱設(shè)計(jì)，可以確保芯片在安全的溫度范圍內(nèi)工作。

相關(guān)產(chǎn)品對(duì)比

Linear Technology 公司還有許多其他的電荷泵產(chǎn)品，如 LTC1262、LTC1514/LTC1515 等。與這些產(chǎn)品相比，LTC3221 系列的優(yōu)勢(shì)在于其超低的功耗、小尺寸和高集成度。不同的產(chǎn)品適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，工程師可以根據(jù)具體的需求進(jìn)行選擇。

總的來說，LTC3221 系列微功率穩(wěn)壓電荷泵以其卓越的性能和豐富的功能，為低功耗設(shè)備的電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和工作環(huán)境，合理選擇電容、優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，并注意各種應(yīng)用細(xì)節(jié)，以充分發(fā)揮 LTC3221 的優(yōu)勢(shì)。你在使用類似的電荷泵產(chǎn)品時(shí)，遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。