基于高功率充電器的大容量磷酸鋰鐵電池設(shè)計(jì)

病患照護(hù)領(lǐng)域其中一項(xiàng)關(guān)鍵趨勢(shì)，就是越來(lái)越多病患在自己家中使用遠(yuǎn)端監(jiān)視系統(tǒng)。造成此趨勢(shì)的塬因顯而易見(jiàn)-病患留院治療的成本貴到讓很多民眾無(wú)力負(fù)擔(dān)。因此，許多可攜式電子監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)合了射頻發(fā)送器，能把資料直接傳送到醫(yī)院內(nèi)的監(jiān)管系統(tǒng)，并交給相關(guān)人員檢視與分析。這些種類(lèi)的系統(tǒng)通常採(cǎi)用交流電作為主要電源，亦可使用電池供電，或插電∕電池兩用的設(shè)計(jì)。冗余的電源設(shè)計(jì)是絕對(duì)必要的，如此才能在沒(méi)有電源插座的地方確保裝置仍能持續(xù)運(yùn)作。此外，可攜式醫(yī)療診斷裝置的最新發(fā)展產(chǎn)品，例如醫(yī)生與護(hù)士隨身攜帶的裝置，它們都採(cǎi)用電池作為主要電力來(lái)源，或當(dāng)停電時(shí)尚能以電池作為備援的電源。這些類(lèi)型的系統(tǒng)需要一個(gè)高效率的電池充電器電路。

除了醫(yī)療應(yīng)用之外，包括如可攜式銀行交易終端機(jī)、強(qiáng)固型平板電腦、存貨控管與條碼掃瞄裝置，都需要大容量的單顆電池來(lái)減少體積與重量。各種鋰電池仍舊是最受歡迎的選擇。但這些電池想要快速充電，必須解決精準(zhǔn)性與安全性?xún)纱蠹蛛y題。此外，業(yè)界持續(xù)開(kāi)發(fā)出全新的鋰基化學(xué)材料的陽(yáng)極∕陰極組合，并將產(chǎn)品導(dǎo)入主流市場(chǎng)。因此，許多應(yīng)用開(kāi)始採(cǎi)用磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池芯，因?yàn)樗鼈兲峁﹦龠^(guò)鈷鋰離子∕聚合物電池芯的安全性及更長(zhǎng)的週期壽命。這類(lèi)化學(xué)材料亦提供鈷基鋰離子電池芯的其他優(yōu)點(diǎn)，包括低自放電率及相對(duì)較低的重量。

除了改進(jìn)安全性(比較能避免電池?zé)嶙冃蔚膯?wèn)題)及更長(zhǎng)的週期壽命之外，磷酸鋰鐵電池還提供相對(duì)較高的尖峰功率，而且產(chǎn)生的環(huán)境污染也較少。醫(yī)療與工業(yè)應(yīng)用通常愿意接受磷酸鋰鐵電池較低的容積能量密度，以換取更高的安全性與週期壽命。各種備援應(yīng)用要求更高的週期壽命，而且能夠進(jìn)行高電流的放電動(dòng)作。

如何獲得更多電力

許多掌上型工業(yè)或醫(yī)療裝置的電源架構(gòu)，通常很類(lèi)似搭載大螢?zāi)坏闹腔坌褪謾C(jī)。一般而言，會(huì)使用一個(gè)3.7V(4.2V最后充電或浮動(dòng)電壓)鋰離子電池作為主電源，因?yàn)樗鼈兙哂懈咧亓?Wh/kg)與容積(Wh/m3)單位的能量密度。過(guò)去，許多高功率裝置都使用一個(gè)雙顆7.4V(8.4V浮動(dòng)電壓)鋰離子電池來(lái)滿(mǎn)足電源需求，但自從市面上出現(xiàn)平價(jià)5V電源管理IC，促使越來(lái)越多掌上型裝置改採(cǎi)較低電壓的架構(gòu)，以便讓產(chǎn)品能使用單顆鋰電池。典型的可攜式醫(yī)療或工業(yè)裝置都會(huì)搭載可觀的功能，并搭配超大尺吋(用在可攜式裝置)螢?zāi)?。?dāng)使用3.7V電池作為電源，容量必須達(dá)到數(shù)千微安培-小時(shí)。要在短短數(shù)小時(shí)內(nèi)為這類(lèi)電池充飽電，必須使用數(shù)安培的高電流才能進(jìn)行快充。

然而，即使當(dāng)找不到能提供高電流的墻式電源轉(zhuǎn)接器，使用者會(huì)想利用USB埠來(lái)為自己的高功率裝置充電。為滿(mǎn)足這些需求，電池充電器必須能在找不到電源可用時(shí)仍能以高電流(超過(guò)2安培)來(lái)進(jìn)行充電，并且還能有效率地利用USB埠提供2.5至4.5瓦的電力。

此外，產(chǎn)品必須保護(hù)敏感的下行低電壓元件，避免因過(guò)壓狀況導(dǎo)致受損，并將高電壓直接傳導(dǎo)到USB輸入端的負(fù)載、墻式電源轉(zhuǎn)接器、或是電池，藉以把因發(fā)熱導(dǎo)致的電力損失減至最小。在此同時(shí)，許多必須安全地管理電池充電演算法，以及監(jiān)視各項(xiàng)關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)。

由于鋰離子磷酸電池採(cǎi)用較低的3.6V浮充電壓，因此排除了使用標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池充電器的可能性。若沒(méi)有正確充電，可能對(duì)電池造成無(wú)法彌補(bǔ)的損壞。精準(zhǔn)的浮充電壓充電可延長(zhǎng)電池的壽命。LiFePO4磷酸鋰鐵相較于鈷基鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)包括較低的容積能量密度(每單位容積的儲(chǔ)電量)，以及若新電池過(guò)早深循環(huán)則有可能永久損壞。

歸納關(guān)鍵的設(shè)計(jì)限制因素：

• 高容量電池需要用高電流充電以及要求高效率

• 包括工業(yè)與醫(yī)療在內(nèi)的許多可攜式應(yīng)用，可提供USB相容的便利充電功能

• 鋰離子磷酸電池有較低浮充電壓的特殊充電要求，但仍提供許多超越鋰離子電池的好處

任何IC解決方案想因應(yīng)上述的設(shè)計(jì)限制因素，就必須具備微型化與單片結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，不僅能快速有效率地對(duì)單蕊電池進(jìn)行充電，還得相容于各種現(xiàn)代的電池化學(xué)材料，例如像磷酸鋰鐵。這樣的元件將扮演催化劑的角色，促使全球市場(chǎng)採(cǎi)納搭載大容量電池的可攜式工業(yè)與醫(yī)療產(chǎn)品。

解決單蕊電池可攜式裝置的電力挑戰(zhàn)

想透過(guò)單一IC來(lái)達(dá)到上述要求，這樣的任務(wù)看似幾乎不可能達(dá)成，這時(shí)您可考慮LTC4156。延續(xù)鋰離子型LTC4155的腳步，新推出的LTC4156是一款高功率、以I2C介面來(lái)控制的高效率PowerPath管理器，適合作為各種單電池可攜式應(yīng)用的二極體控制器與磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池充電器，例如可攜式醫(yī)療與基礎(chǔ)建設(shè)裝置、備援裝置、以及以高能量密度電池供電的應(yīng)用。

這款I(lǐng)C設(shè)計(jì)用來(lái)從各種電源有效率地傳送15瓦的電力，并將功耗減至最小，并排除熱預(yù)算方面的限制。LTC4156的切換式PowerPath架構(gòu)能無(wú)縫地管理兩個(gè)輸入電源的電力分配，而且當(dāng)輸入電源有限時(shí)，能優(yōu)先為系統(tǒng)供應(yīng)電力。請(qǐng)見(jiàn)圖1所示。

由于省下許多電力，LTC4156讓輸出負(fù)載電流超越輸入電源汲取的電流，為充電中的電池提供最多的可用電力，而且不會(huì)超出輸入電源的供應(yīng)規(guī)格。例如，當(dāng)從一個(gè)5伏特、2安培的墻式電源轉(zhuǎn)接器供電時(shí)，IC的交換式電壓轉(zhuǎn)換器能讓10瓦的可用電力達(dá)到超過(guò)85%的高效轉(zhuǎn)換率，提供2.4安培的充電電流，進(jìn)而達(dá)到更快的充電時(shí)間。不同于一般交換式電池充電器，LTC4156具備即時(shí)啟動(dòng)的運(yùn)作模式，確保即使是深度放電后的電池，在插上插座的瞬間系統(tǒng)就有電源供電。USB OTG支援功能，不需任何額外的元件就能向USB埠傳送5伏特的電力。

LTC4156的自我管理式全功能單芯磷酸鋰鐵電池充電器，能搭配15種使用者自選的充電電流設(shè)定，最高支援3.5安培的充電電流。充電器內(nèi)含自動(dòng)充電、偵測(cè)損壞電池蕊、可設(shè)定的安全計(jì)時(shí)器、具熱敏電阻的溫度合格充電、可設(shè)定的充電完畢指示∕終止以及可設(shè)定的中斷產(chǎn)生等。

高效率的內(nèi)部交換式轉(zhuǎn)換器

LTC4156的交換式電壓調(diào)整器扮演變壓器的功能，讓VOUT上的負(fù)載電流超過(guò)輸入端電源汲取的電流，而且相較于典型的線性模式充電器，大幅增加電池充電器可利用的電力。先前的例子顯示LTC4156最高能使用3.5安培的電流進(jìn)行快速充電，帶來(lái)更快的充電時(shí)間。不同于一般的交換式電池充電器，LTC4156具有瞬間啟動(dòng)的運(yùn)作模式，即使電池?fù)p壞或經(jīng)過(guò)深層放電，也能確保系統(tǒng)電力的可用性。如圖2所示。

更安全的電池

當(dāng)高速對(duì)電池充電時(shí)，務(wù)必要監(jiān)視電池的安全性。當(dāng)電池溫度下降到攝氏0度以下，或是升高到超過(guò)攝氏60度(透過(guò)外部負(fù)溫度係數(shù)NTC感溫電阻來(lái)測(cè)溫)，LTC4156就會(huì)自動(dòng)停止充電。除了這項(xiàng)自我管理功能之外，LTC4156還提供一個(gè)7位元拓展標(biāo)度的類(lèi)比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)用來(lái)監(jiān)視電池溫度，并提供約攝氏1度的解析度(如圖3所示)。再加上4種可用的浮充電壓設(shè)定以及15種電池充電電流設(shè)定，這款A(yù)DC能用來(lái)根據(jù)電池溫度建立客製化的充電演算法。

我們可利用一個(gè)簡(jiǎn)單的2線式I2C埠來(lái)存取NTC ADC結(jié)果，藉以調(diào)整充電電流與電壓設(shè)定。通訊匯流排則讓LTC4156能指示額外的狀態(tài)資訊，例如輸入電源狀態(tài)、充電器狀態(tài)、以及故障狀態(tài)。USB OTG支援功能，無(wú)須用到額外的元件就能把5伏特電源傳回到USB埠。

支援兩種電源輸入(例如USB與墻式電源轉(zhuǎn)接器)，對(duì)于如平板電腦或工業(yè)條碼掃瞄機(jī)在內(nèi)的許多可攜式應(yīng)用已經(jīng)足夠。但可攜式裝置的設(shè)計(jì)師仍持續(xù)尋找各種方法，利用任何可取得的電源來(lái)為電池充電。LTC4156的雙輸入式優(yōu)先權(quán)限多工器能自動(dòng)選擇最適合的輸入電源，并根據(jù)使用者預(yù)設(shè)的優(yōu)先順序進(jìn)行挑選(預(yù)先的優(yōu)先順序會(huì)傳送到變壓器的輸入端)。過(guò)壓保護(hù)(OVP)電路會(huì)同時(shí)保護(hù)兩個(gè)輸入端，避免因意外導(dǎo)入過(guò)高的電壓或逆電壓而造成損壞。LTC4156的理想二極體控制器能保證即使當(dāng)輸入電源不足或缺乏時(shí)，VOUT 也永遠(yuǎn)能有充裕的電力供應(yīng)。為了在裝置連結(jié)休眠中的USB埠時(shí)能儘可能降低電池的耗電，配置在VBUS到VOUT之間的LDO元件，能為應(yīng)用提供USB休眠模式電流。為了完全消除產(chǎn)品從出廠到售出這段期間的電池電力消耗，出貨與庫(kù)存模式功能，能把已經(jīng)極低的電池待機(jī)電流降低到接近于零的程度。

結(jié)論

現(xiàn)今可攜式工業(yè)與醫(yī)療裝置的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師面臨極艱鉅的任務(wù)-尤其是在供電方面。各領(lǐng)域的企業(yè)不斷要求各種功能，這些都需要更多的電力，因而必須搭配更大的電池。此外，顧客希望能利用任何可取得的電源，享受便利的電池充電功能。磷酸鋰鐵電池逐漸成為主流選擇，因?yàn)樗鼈兲焐哂邪踩?、低浮?dòng)電壓、更長(zhǎng)的週期壽命、低自放電率、以及相對(duì)較輕等優(yōu)點(diǎn)。但它們和任何可充式電池一樣，處理時(shí)都必須小心謹(jǐn)慎?？蓴y式電源的趨勢(shì)包括各種設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，LTC4156讓業(yè)者的工作變得更為簡(jiǎn)單。在低電壓系統(tǒng)方面，LTC4156有效率地提供最高3.5安培的電流，以及各種高效能與安全方面的特性。