為何大容量磷酸鐵鋰電池需要大功率充電器？

需求背景

患者護理領(lǐng)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(shè)備領(lǐng)域取得了很多新的進展，例如醫(yī)生和護士到處攜帶的設(shè)備，都將電池作為主電源，或?qū)㈦姵刈鳛閭浞蓦娫?，以防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(yīng)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(shè)備等都需要單節(jié)大容量電池，以減小外形尺寸和重量?；阡嚥牧系碾姵匾恢笔亲盍餍械倪x擇。然而，要快速、準(zhǔn)確和安全地給這類電池充電，卻不是非微不足道的事情。此外，人們一直在開發(fā)新的、基于鋰的化學(xué)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備具有很多功能和非常大（就便攜式設(shè)備而言）的顯示屏。當(dāng)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(shè)備充電。為了滿足這種要求，當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)到負(fù)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(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)。

磷酸鐵鋰電池較低的3.6V浮動電壓導(dǎo)致無法使用標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子電池充電器。如果充電不當(dāng)，就有可能對這種電池造成無法修復(fù)的損壞。準(zhǔn)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(shè)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(yīng)用，包括工業(yè)和醫(yī)療設(shè)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(shè)計限制的IC解決方案都必須是緊湊和單片型的，能應(yīng)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(xué)組成兼容。這樣的設(shè)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(yīng)對采用單節(jié)電池的便攜式設(shè)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(yīng)用，例如便攜式醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備、備份設(shè)備和高功率密度電池供電應(yīng)用。該IC為從各種電源高效率傳送高達15W的功率而設(shè)計，同時最大限度地降低了功耗，并減輕了熱量預(yù)算限制。LTC4156的開關(guān)電源通路拓?fù)錈o縫地管理從兩個輸入電源，例如交流適配器和USB端口，到設(shè)備的可再充電磷酸鐵鋰電池的功率分配，同時當(dāng)輸入功率有限時，優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。參見圖1.

圖1：LTC4156的典型應(yīng)用電路

TO SYSTEM LOAD：至系統(tǒng)負(fù)載

由于節(jié)省功率，所以LTC4156允許輸出負(fù)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(dāng)用5V/2A交流適配器供電、可用功率為10W時，該IC的開關(guān)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(guān)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。

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(shè)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-40°C至125°C的溫度范圍內(nèi)工作有保證。

高效率內(nèi)部開關(guān)穩(wěn)壓器

LTC4156的開關(guān)穩(wěn)壓器工作起來像一個變壓器，允許VOUT端的負(fù)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(guān)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(fù)載電流變化的曲線

EFFICIENCY：效率

Switching Regulator Efficiency：開關(guān)穩(wěn)壓器效率

LOAD CURRENT：負(fù)載電流

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(dāng)電池溫度降至低于0°C或升至高于60°C時（如一個外部負(fù)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(biāo)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(shè)置和15個電池充電電流設(shè)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(yù)置的LTC4156溫度跳變點

Temperature：溫度

ADC Code：ADC代碼

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(shè)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(yīng)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(shè)備設(shè)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(shè)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(yīng)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(xué)組成的電池。

結(jié)論

對于新式便攜式工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備來說，設(shè)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(shè)備電源領(lǐng)域的這些趨勢成為了設(shè)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。