【導讀】在許多便攜式設備中，都將電池作為主電源或備份電源以確保系統(tǒng)連續(xù)工作。與基于鈷的鋰離子/鋰聚合物電池相比，磷酸鐵鋰電池可提供更高的安全性和更長的電池壽命。而大容量電池需要大功率的充電器，本文介紹的LTC4156可以以高達 3.5A 的電流高效地充電，從而實現(xiàn)了更快的充電速度。
患者護理領域的主要趨勢之一，是在患者家中越來越多地使用遠程監(jiān)視系統(tǒng)。出現(xiàn)這種趨勢的原因很明顯，讓患者住在醫(yī)院的費用太高了，令人難以承受。因此，很多這類便攜式電子監(jiān)視系統(tǒng)納入了 RF 收發(fā)器，以便數(shù)據(jù)能直接發(fā)到醫(yī)院中的監(jiān)察系統(tǒng)中，供醫(yī)生研究和分析之用。顯然，這類系統(tǒng)通常由 AC 電源、電池或同時由二者供電。為了確保在除醫(yī)院之外的其他地點使用時，系統(tǒng)能連續(xù)工作，這種冗余性是必要的。此外，在便攜式醫(yī)療診斷設備領域取得了很多新的進展，例如醫(yī)生和護士到處攜帶的設備，都將電池作為主電源，或?qū)㈦姵刈鳛閭浞蓦娫矗苑?AC 電源中斷。這類系統(tǒng)需要高效率電池充電電路。
除了醫(yī)療應用，便攜式工業(yè)銀行終端、堅固耐用的平板電腦、庫存控制和條碼掃描設備等都需要單節(jié)大容量電池，以減小外形尺寸和重量。基于鋰材料的電池一直是最流行的選擇。然而，要快速、準確和安全地給這類電池充電，卻不是微不足道的事情。
此外，人們一直在開發(fā)新的、基于鋰的化學陽極/陰極組合，這類組合也在不斷地推向主流市場。這種趨勢的一個例子是，磷酸鐵鋰(LiFePO4) 電池已在許多應用中嶄露頭角，與基于鈷的鋰離子 / 鋰聚合物電池相比，磷酸鐵鋰電池可提供更高的安全性和更長的電池壽命。而且這種化學組成的電池還同時具備基于鈷的鋰離子電池所具備的其他許多優(yōu)勢，包括較低的自放電速率和相對較輕的重量。相比之下，除了改善安全性 (因為具有抗“熱失控”能力) 及延長電池循環(huán)壽命之外，磷酸鐵鋰電池具備更高的峰值功率額定值，對環(huán)境影響更小。通常醫(yī)療和工業(yè)應用愿意接受磷酸鐵鋰電池更低的單位體積能量密度，以換取更高的安全性和更長的周期壽命。備份應用需要更長的周期壽命，且要能以大電流放電。
怎樣得到更大的功率
很多手持式工業(yè)或醫(yī)療設備的電源架構(gòu)常常與大顯示屏智能手機的電源架構(gòu)類似。一般情況下，3.7V（最終充電或“浮置”電壓為 4.2V）鋰離子電池一直用作主電源，因為其單位重量能量密度 (Wh/kg) 和單位體積能量密度 (Wh/m3) 很高。過去，很多大功率設備使用兩節(jié) 7.4V (8.4V 浮置電壓) 鋰離子電池，以滿足功率要求，但是由于價格低廉的 5V 電源管理 IC 的上市，越來越多的手持式設備采用了更低電壓的架構(gòu)，這使得可以使用單節(jié)鋰離子電池。典型的便攜式醫(yī)療或工業(yè)設備具有很多功能和非常大（就便攜式設備而言）的顯示屏。當用 3.7V 電池供電時，其容量必須以數(shù)千毫瓦小時計。為了用幾小時給這么大容量的電池充電，就需要幾安培的充電電流。
不過，即使需要這么大的充電電流，在沒有大電流交流適配器可用時，用戶依然想用 USB 端口給他們的大功率設備充電。為了滿足這種要求，當有交流適配器可用時，電池充電器必須能以大電流 (>2A) 充電，但是仍然能高效率地利用 USB 端口可提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，該 IC 產(chǎn)品需要保護敏感的下游低壓組件，使它們免受可能由損壞導致的過壓事件的影響，并高效率地將大電流從 USB 輸入、交流適配器或電池引導到負載，以最大限度地減少以熱量形式損失的功率。同時，該 IC 必須安全地管理電池充電算法，并監(jiān)視關鍵的系統(tǒng)參數(shù)。
磷酸鐵鋰電池較低的3.6V 浮動電壓導致無法使用標準的鋰離子電池充電器。若充電不當，就有可能對電池造成無法修復的損壞。準確的浮動電壓充電將延長電池的壽命。與基于鈷的鋰離子電池相比，LiFePO4電池的優(yōu)點包括體積能量密度 (每單位體積的容量) 較高，而且不容易過早地出現(xiàn)故障(倘若新電池過早地“深度循環(huán)”)。
主要設計限制總結(jié)如下：
●大容量電池需要大的充電電流和高效率
●很多便攜式應用，包括工業(yè)和醫(yī)療設備，都需要 USB 兼容充電所提供的便利性
●磷酸鐵鋰電池有特殊充電要求，即更低的浮置電壓，與鋰離子電池相比有一些令人欣慰的優(yōu)勢
上面討論的任何滿足這些設計限制的 IC 解決方案都必須是緊湊和單片型的，能應對快速、高效率給單節(jié)大容量電池充電的問題，并與磷酸鐵鋰等新的化學組成兼容。這樣的設備會成為催化劑，能提高采用大容量電池的便攜式工業(yè)和醫(yī)療產(chǎn)品在全球的采用率。
應對采用單節(jié)電池的便攜式設備的功率挑戰(zhàn)
盡管上述要求也許看似不可能用單片IC來滿足，但是看一下LTC4156吧。LTC4156緊隨流行的、基于鋰材料的LTC4155而來，是一款大功率、I2C 控制、高效率電源通路 (PowerPath) 管理器、理想二極管控制器和磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池充電器，適用于采用單節(jié)電池的便攜式應用，例如便攜式醫(yī)療和工業(yè)設備、備份設備和高功率密度電池供電應用。該IC為從各種電源高效率傳送高達15W的功率而設計，同時最大限度地降低了功耗，并減輕了熱量預算限制。LTC4156的開關電源通路拓撲無縫地管理從兩個輸入電源，例如交流適配器和USB端口，到設備的可再充電磷酸鐵鋰電池的功率分配，同時當輸入功率有限時，優(yōu)先向系統(tǒng)負載供電。參見圖1。
圖1：LTC4156 的典型應用電路
由于節(jié)省功率，所以LTC4156允許輸出負載電流超過輸入電源吸取的電流，從而能最大限度地利用可用功率給電池充電，而不會超出輸入電源供電規(guī)格。例如，當用 5V/2A 交流適配器供電、可用功率為10W時，該IC的開關穩(wěn)壓器能高效率傳送超過85%的可用功率，提供高達~2.4A的充電電流，并能更快速地充電。與普通開關電池充電器不同，LTC4156具備即時接通工作能力，以確保甚至在電池已深度放電時，一插上插頭系統(tǒng)就可以供電。由于支持USB OTG (On-the-Go)，所以無需任何額外的組件，就能反過來向USB端口提供一個5V電源。
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LTC4156 的自主全功能單節(jié)磷酸鐵鋰電池充電器能提供高達 3.5A 的充電電流，具備 15 種用戶可選的充電電流設置。該充電器包括自動再充電、壞電池檢測、可編程安全定時器、熱敏電阻控制的溫度合格的充電、可編程充電結(jié)束指示 / 終止以及可編程中斷。LTC4156 采用扁平 (0.75mm) 28 引腳 4mm x 5mm QFN 封裝，在 -40C 至 125C 的溫度范圍內(nèi)工作有保證。
高效率內(nèi)部開關穩(wěn)壓器LTC4156
LTC4156 的開關穩(wěn)壓器工作起來像一個變壓器，允許 VOUT 端的負載電流超過輸入電源吸取的電流，而且與典型線性模式充電器相比，充分利用可用功率給電池充電的能力得到了極大的改善。前述例子說明，LTC4156 可以怎樣以高達 3.5A 的電流高效地充電，從而實現(xiàn)了更快的充電速度。與普通開關電池充電器不同，LTC4156 具備即時接通工作能力，以確保甚至在電池沒電或已深度放電時，一插上電源就可向系統(tǒng)供電。
圖2：LTC4156 VOUT 效率隨負載電流變化的曲線
LTC4156對電池而言更安全
在對電池快速充電時，監(jiān)視電池的安全性是很重要的。當電池溫度降至低于 0°C 或升至高于 60°C 時 (如一個外部負溫度系數(shù)的 NTC 熱敏電阻所測得的那樣) ，LTC4156 會自動停止充電。除了這一自主性功能，LTC4156 還提供一個擴展標度的 7 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) ，以憑借約 1°C 的分辨率監(jiān)視電池溫度 (參見圖 3) 。這個 ADC 與 4 個可用的浮置電壓設置和 15 個電池充電電流設置相結(jié)合，可用來建立基于電池溫度的定制充電算法。
圖3：7 位熱敏電阻 ADC 顯示預置的 LTC4156 溫度跳變點
可通過一個簡單的兩線 I2C 接口讀取 NTC ADC 的結(jié)果，從而能對充電電流和電壓設置進行調(diào)整。該通信總線允許 LTC4156 指示額外的狀態(tài)信息，例如輸入電源狀態(tài)、充電器狀態(tài)和故障狀態(tài)。由于支持 USB On-The-Go，所以無需任何附加組件，就能反過來向 USB 端口提供一個 5V 電源。
對平板電腦或工業(yè)條碼掃描器等很多便攜式應用來說，管理兩個輸入 (例如 USB 和交流適配器)足夠了。不過，便攜式設備設計師一直在不斷尋求用任何可用電源給電池充電的方式。LTC4156 的雙輸入、優(yōu)先級多工器根據(jù)用戶定義的優(yōu)先級 (缺省優(yōu)先級為適配器輸入) ，自主地選擇最合適的輸入 (交流適配器或 USB)。過壓保護 (OVP) 電路同時保護兩個輸入，以免受到意外加上的高壓或反向電壓引起的損壞。LTC4156 的理想二極管控制器保證，即使輸入功率不充足或不存在，也總是可以向 VOUT 提供充足的功率。為了在設備連接到一個處于暫停模式的 USB 端口時，最大限度地減少電池泄漏，在 VBUS 和 VOUT 之間放置了一個 LDO， 以向應用提供可允許的 USB 暫停電流。為了消除制造和銷售階段的電池泄漏，“裝運及貯存”特性將已經(jīng)很低的電池備用電流進一步降至幾乎為零。
最后，LTC4156 與 LTC4155 鋰離子版本是引腳和組件完全兼容的，從而無需重新大面積安排電路板，就可以靈活方便地在最后一分鐘更換不同化學組成的電池。
結(jié)論
對于新式便攜式工業(yè)和醫(yī)療設備來說，設計師的工作極具挑戰(zhàn)性，尤其是涉及功率時。企業(yè)要求的功能越來越需要更大的功率，結(jié)果就是更大的電池。同時，人們需要便利性，希望可用任何電源給這些電池充電。由于固有的安全性、低浮置電壓、更長的周期壽命、較低的自放電速率和相對輕的重量，磷酸鐵鋰電池正在成為主流選擇。但是像任何可再充電電池一樣，磷酸鐵鋰電池必須小心對待。盡管便攜式設備電源領域的這些趨勢成為了設計挑戰(zhàn)，但是 LTC4156 使事情容易多了。在低壓系統(tǒng)中，LTC4156 高效率地提供了高達 3.5A 的充電電流，同時提供了高性能和安全功能。
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