双向 DC/DC 稳压器和超级电容器充电器

设计要点 DN558: 引言

LTC®3110 双向降压-升压型 DC/DC 稳压器在接入一个总线电压 (例如:3.3V) 时对一个超级电容器进行充电和电荷平衡,而当总线发生故障时则把该超级电容器的存储电能释放至负载。LTC3110 保持总线的标称电平 (在图 1 所示的实例中为 3.3V),即使在超级电容器电压高于或低于标称总线电压的情况下也不例外。以这种方式支持负载可在电源中断期间容许数据备份和保存,这在众多工业和汽车应用中是很重要的。

Figure 1. LTC3110 Application, VSYS = 3.3V, VCAP = 5.0V

 

外形扁平的数据备份电源

工业和汽车应用的突出之处在于它们缺乏稳定高质量的电压源。在汽车环境中,一个标称值为 12V 的电压轨在冷车发动和抛载期间能从 4V 变化至高于 40V。工厂中使用的 24V 设备总线仅仅因为电动机和螺母管的功率循环而遭受电压尖峰和欠压。

然而,工业应用与消费电子具有某些共同点,这就是不断提高便携性和移动性。新式工业设备内部供电子线路使用的空间日益受到限制。在工业组件和模块中,数据存储单元的体积 (特别是厚度) 会受到非常重视。考虑到这一点,本文所述的解决方案旨在较大限度地缩减选定组件的高度。表 1 给出了两组按厚度 (1mm 和 2.5mm) 排列的无源组件组选项。表中未列出所需的半导体组件,因为控制器、MOSFET 和电阻器的厚度不超过 1mm。

图 2 示出了一款用于数据备份或无线数据传输的扁平能量存储解决方案,在其使用的环境中存在着 4V 至 40V 的极宽输入电压变化范围,并有可能出现输入电压中断的情况。

Figure 2. LTC3110, High Voltage Application, VIN = 4V to 40V, VSYS = 3.3V, VCAP = 5.0V Figure 3. Switchover [VSYS Load Voltage, VIN Input Voltage, CHRG Flag Status] 1ms/

 

该解决方案采用两个转换器以形成完整的工业 / 汽车应用电路。基于 LTC3110 超级电容器充电器 (SCCH) 的转换器在输入电压接入时给存储电容器充电,并且在电源中断期间提供一个稳定的系统输出。在正常工作情况下,当接入了一个 4V 至 40V 的输入电源时,敏感的电子负载和 LTC3110 由一个基于 LT8608 的降压型转换器 (SDC) 提供支持。

LT8608 是一款低静态电流、高效率、高度集成的同步降压型转换器,该器件具有一个从 3V 至 42V 的宽输入电压范围。其 42V 上限较大限度减小了系统保护电路所需的体积,实际上免除了增设传统瞬态电压抑制器二极管 (TVS) 的需要。SDC 把系统电压保持在 3.3V 总线轨限值范围之内。

如果输入电压断接,SCCH 将接管,从而为稳压的 3.3V 电压轨供电。在正常情况下 LT8608 向系统总线提供 3.5V;LTC3110 在它记录电源故障和支持负载时提供 3.2V。这些电源电压完全处在针对 3.3V 逻辑电源的推荐限值范围之内。/CHRG 标记可用于提醒数字系统以断接不重要的负载并开始数据备份或无线传输。

图 3 示出了切换过程的起点;当输入电压断接时,SDC 关断,而 SCCH 接通。

 

Figure 3. Switchover [VSYS Load Voltage, VIN Input Voltage, CHRG Flag Status]

 

结论

LTC3110 是一款高度集成的高性能超级电容器充电器和平衡器,可在汽车和工业应用中实现数据保存和备份的外形扁平解决方案。

 

1:用于厚度为 1mm 2.5mm 之解决方案的转换器组件

高度 L1 L2 CS1 CIN1
供应商 Wurth Elektronik Wurth Elektronik CAP-XX TDK
1mm 74437321022 74437321056 2 x HS103F 2 x C3216JB1H475K085AB
2.5mm 74437334022 74437334056 HS206F C3225X7R2A225K230AB

 

作者

Victor Khasiev

Victor Khasiev

Victor Khasiev曾是ADI公司的高级应用工程师,在AC/DC和DC/DC转换的电力电子领域拥有丰富的经验。他拥有两项专利,并撰写了多篇文章。这些文章涉及ADI半导体器件在汽车和工业应用中的使用,涵盖了升压、降压、SEPIC、正-负、负-负、反激式、正激式转换器和双向备用电源。他持有高效功率因数校正解决方案和先进的栅极驱动器相关专利。Victor乐于为ADI公司客户提供技术支持解答有关ADI产品、电源原理图设计和验证、印刷电路板布局、故障排查以及最终系统测试的问题。