鉅大LARGE | 點擊量：432次 | 2022年03月29日
基于高功率充電器的大容量磷酸鋰鐵鋰離子電池設(shè)計
病患照護領(lǐng)域其中一項關(guān)鍵趨勢，就是越來越多病患在自己家中使用遠端監(jiān)視系統(tǒng)。造成此趨勢的塬因顯而易見－病患留院治療的成本貴到讓很多民眾無力負擔。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。這些種類的系統(tǒng)通常裼媒渙韉繾魑重要電源，亦可使用電池供電，或插電M電池兩用的設(shè)計。冗余的電源設(shè)計是絕對必要的，如此才能在沒有電源插座的地方確保裝置仍能持續(xù)運作。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)生與護士隨身攜帶的裝置，它們都裼玫緋刈魑重要電力來源，或當停電時尚能以電池作為備援的電源。這些類型的系統(tǒng)要一個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、強固型平板電腦、存貨控管與條碼掃瞄裝置，都要大容量的單顆電池來減少體積與重量。各種鋰離子電池仍舊是最受歡迎的選擇。但這些電池想要快速充電，必須解決精市雜氚踩性兩大棘手難題。此外，業(yè)界持續(xù)開發(fā)出全新的鋰基化學材料的陽極M陰極組合，并將產(chǎn)品導(dǎo)入主流市場。因此，許多應(yīng)用開始裼昧姿犸鐵（LiFepO4）電池芯，因為它們供應(yīng)勝過鈷鋰離子M聚合物電池芯的安全性及更長的L期壽命。這類化學材料亦供應(yīng)鈷基鋰離子電池芯的其他優(yōu)點，包括低自放電率及相對較低的重量。
除了改進安全性（比較能防止電池熱變形的問題）及更長的L期壽命之外，磷酸鋰鐵電池還供應(yīng)相對較高的尖峰功率，而且出現(xiàn)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L期壽命。各種備援應(yīng)用要求更高的L期壽命，而且能夠進行高電流的放電動作。
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)，通常很類似搭載大螢?zāi)坏闹腔坌褪謾C。一般而言，會使用一個3.7V（4.2V最后充電或浮動電壓）鋰離子電池作為主電源，因為它們具有高重量（Wh/kg）與容積（Wh/m3）單位的能量密度。過去，許多高功率裝置都使用一個雙顆7.4V（8.4V浮動電壓）鋰離子電池來滿足電源需求，但自從市面上出現(xiàn)平價5V電源管理IC，促使越來越多掌上型裝置改窠系偷繆溝募芄梗以便讓產(chǎn)品能使用單顆鋰離子電池。典型的可攜式醫(yī)療或工業(yè)裝置都會搭載可觀的功能，并搭配超大尺跡ㄓ迷誑尚式裝置）螢?zāi)弧．斒褂?.7V電池作為電源，容量必須達到數(shù)千微安培-小時。要在短短數(shù)小時內(nèi)為這類電池充飽電，必須使用數(shù)安培的高電流才能進行快充。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
然而，即使當找不到能供應(yīng)高電流的墻式電源轉(zhuǎn)接器，使用者會想利用USB埠來為自己的高功率裝置充電。為滿足這些需求，電池充電器必須能在找不到電源可用時仍能以高電流（超過2安培）來進行充電，并且還能有效率地利用USB埠供應(yīng)2.5至4.5瓦的電力。
此外，產(chǎn)品必須保護敏感的下行低電壓元件，防止因過壓狀況導(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，許多必須安全地管理電池充電演算法，以及監(jiān)視各項關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)。
由于鋰離子磷酸電池裼媒系偷3.6V浮充電壓，因此排除了使用標曙離子電池充電器的可能性。若沒有正確充電，可能對電池造成無法彌補的損壞。精實母〕淶繆鉤淶緲裳映さ緋氐氖倜。LiFepO4磷酸鋰鐵相較于鈷基鋰離子電池的優(yōu)勢包括較低的容積能量密度（每單位容積的儲電量），以及若新電池過早深循環(huán)則有可能永久損壞。
歸納關(guān)鍵的設(shè)計限制因素：
高容量電池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，可供應(yīng)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，但仍供應(yīng)許多超越鋰離子電池的好處任何IC解決方法想因應(yīng)上述的設(shè)計限制因素，就必須具備微型化與單片結(jié)構(gòu)等特點，不僅能快速有效率地對單蕊電池進行充電，還得相容于各種現(xiàn)代的電池化學材料，例如像磷酸鋰鐵。這樣的元件將扮演催化劑的角色，促使全球市場衲紗鈐卮筧萘康緋氐目尚式工業(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)
想透過單一IC來達到上述要求，這樣的任務(wù)看似幾乎不可能達成，這時您可考慮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)計用來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)能無縫地管理兩個輸入電源的電力分配，而且當輸入電源有限時，能優(yōu)先為系統(tǒng)供應(yīng)電力。請見圖1所示。
由于省下許多電力，LTC4156讓輸出負載電流超越輸入電源汲取的電流，為充電中的電池供應(yīng)最多的可用電力，而且不會超出輸入電源的供應(yīng)規(guī)格。例如，當從一個5伏特、2安培的墻式電源轉(zhuǎn)接器供電時，IC的交換式電壓轉(zhuǎn)換器能讓10瓦的可用電力達到超過85％的高效轉(zhuǎn)換率，供應(yīng)2.4安培的充電電流，進而達到更快的充電時間。不同于一般交換式電池充電器，LTC4156具備即時啟動的運作模式，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。USBOTG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)含自動充電、偵測損壞電池蕊、可設(shè)定的安全計時器、具熱敏電阻的溫度合格充電、可設(shè)定的充電完畢指示M終止以及可設(shè)定的中斷出現(xiàn)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上的負載電流超過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，大幅新增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安培的電流進行快速充電，帶來更快的充電時間。不同于一般的交換式電池充電器，LTC4156具有瞬間啟動的運作模式，即使電池損壞或經(jīng)過深層放電，也能確保系統(tǒng)電力的可用性。如圖2所示。
更安全的電池
當高速對電池充電時，務(wù)必要監(jiān)視電池的安全性。當電池溫度下降到攝氏0度以下，或是升高到超過攝氏60度（透過外部負溫度S數(shù)NTC感溫電阻來測溫），LTC4156就會自動停止充電。除了這項自我管理功能之外，LTC4156還供應(yīng)一個7位元拓展標度的類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）用來監(jiān)視電池溫度，并供應(yīng)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能用來根據(jù)電池溫度建立客u化的充電演算法。
我們可利用一個簡單的2線式I2C埠來存取NTCADC結(jié)果，藉以調(diào)整充電電流與電壓設(shè)定。通訊R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)。USBOTG支援功能，無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），關(guān)于如平板電腦或工業(yè)條碼掃瞄機在內(nèi)的許多可攜式應(yīng)用已經(jīng)足夠。但可攜式裝置的設(shè)計師仍持續(xù)尋找各種方法，利用任何可取得的電源來為電池充電。LTC4156的雙輸入式優(yōu)先權(quán)限多工器能自動選擇最適合的輸入電源，并根據(jù)使用者預(yù)設(shè)的優(yōu)先順序進行選擇（預(yù)先的優(yōu)先順序會傳送到變壓器的輸入端）。過壓保護（OVp）電路會同時保護兩個輸入端，防止因意外導(dǎo)入過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輸入電源不足或缺乏時，VOUT也永遠能有充裕的電力供應(yīng)。為了在裝置連結(jié)休眠中的USB埠時能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)用供應(yīng)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，出貨與庫存模式功能，能把已經(jīng)極低的電池待機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)計師面對極艱的任務(wù)－尤其是在供電方面。各領(lǐng)域的公司不斷要求各種功能，這些都要更多的電力，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，因為它們天生具有安全、低浮動電壓、更長的L期壽命、低自放電率、以及相對較輕等優(yōu)點。但它們和任何可充式電池相同，處理時都必須小心謹慎?？蓴y式電源的趨勢包括各種設(shè)計上的挑戰(zhàn)，LTC4156讓業(yè)者的工作變得更為簡單。在低電壓系統(tǒng)方面，LTC4156有效率地供應(yīng)最高3.5安培的電流，以及各種高效能與安全方面的特性。
