基于高功率充電器的大容量磷酸鋰鐵電池設(shè)計

　　病患照護(hù)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(yuǎn)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(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。這些種類的系統(tǒng)通常採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。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(hù)士隨身攜帶的裝置，它們都採用電池作為主要電力來源，或當(dāng)停電時尚能以電池作為備援的電源。這些類型的系統(tǒng)需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(jī)、強固型平板電腦、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(xué)材料的陽極∕陰極組合，并將產(chǎn)品導(dǎo)入主流市場。因此，許多應(yīng)用開始採用磷酸鋰鐵（LiFePO4）電池芯，因為它們提供勝過鈷鋰離子∕聚合物電池芯的安全性及更長的週期壽命。這類化學(xué)材料亦提供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(jìn)安全性（比較能避免電池?zé)嶙冃蔚膯栴}）及更長的週期壽命之外，磷酸鋰鐵電池還提供相對較高的尖峰功率，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?a target="_blank">手機(jī)。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採較低電壓的架構(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。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(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(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，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採用較低的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。若沒有正確充電，可能對電池造成無法彌補的損壞。精準(zhǔn)的浮充電壓充電可延長電池的壽命。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(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，促使全球市場採納搭載大容量電池的可攜式工業(yè)與醫(yī)療產(chǎn)品。