技術(shù)秘技：為何大容量磷酸鐵鋰電池需要大功率充電器？ - 全文

　　需求背景

　　患者護(hù)理領(lǐng)域的主要趨勢(shì)之一，是在患者家中越來(lái)越多地使用遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因很明顯，讓患者住在醫(yī)院的費(fèi)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(shí)由二者供電。為了確保在除醫(yī)院之外的其他地點(diǎn)使用時(shí)，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(jìn)展，例如醫(yī)生和護(hù)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?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(jiān)固耐用的平板電腦、庫(kù)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(kāi)發(fā)新的、基于鋰的化學(xué)陽(yáng)極/陰極組合，這類組合也在不斷地推向主流市場(chǎng)。這種趨勢(shì)的一個(gè)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(zhǎng)的電池壽命。而且這種化學(xué)組成的電池還同時(shí)具備基于鈷的鋰離子電池所具備的其他許多優(yōu)勢(shì)，包括較低的自放電速率和相對(duì)較輕的重量。相比之下，除了改善安全性 （因?yàn)榫哂锌埂盁崾Э亍蹦芰Γ?及延長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)的周期壽命。備份應(yīng)用需要更長(zhǎng)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(jī)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?yàn)槠鋯挝恢亓磕芰棵芏?（Wh/kg） 和單位體積能量密度 （Wh/m3） 很高。過(guò)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(jià)格低廉的 5V 電源管理 IC 的上市，越來(lái)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(shí)，其容量必須以數(shù)千毫瓦小時(shí)計(jì)。為了用幾小時(shí)給這么大容量的電池充電，就需要幾安培的充電電流。

　　不過(guò)，即使需要這么大的充電電流，在沒(méi)有大電流交流適配器可用時(shí)，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(shí)，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(hù)敏感的下游低壓組件，使它們免受可能由損壞導(dǎo)致的過(guò)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(shí)，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(dòng)電壓導(dǎo)致無(wú)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(duì)這種電池造成無(wú)法修復(fù)的損壞。準(zhǔn)確的浮動(dòng)電壓充電將延長(zhǎng)電池的壽命。與基于鈷的鋰離子電池相比，LiFePO4 電池的優(yōu)點(diǎn)包括體積能量密度 （每單位體積的容量） 較高，而且不容易過(guò)早地出現(xiàn)故障 （倘若新電池過(guò)早地“深度循環(huán)”）。

　　主要設(shè)計(jì)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(shì)

　　上面討論的任何滿足這些設(shè)計(jì)限制的 IC 解決方案都必須是緊湊和單片型的，能應(yīng)對(duì)快速、高效率給單節(jié)大容量電池充電的問(wèn)題，并與磷酸鐵鋰等新的化學(xué)組成兼容。這樣的設(shè)備會(huì)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(duì)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(lái)滿足，但是看一下 LTC4156 吧。LTC4156 緊隨流行的、基于鋰材料的 LTC4155 而來(lái)，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(dá) 15W 的功率而設(shè)計(jì)，同時(shí)最大限度地降低了功耗，并減輕了熱量預(yù)算限制。LTC4156 的開(kāi)關(guān)電源通路拓?fù)錈o(wú)縫地管理從兩個(gè)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(shí)當(dāng)輸入功率有限時(shí)，優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。參見(jiàn)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(guò)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(huì)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(shí)，該 IC 的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器能高效率傳送超過(guò) 85% 的可用功率，提供高達(dá) ~2.4A 的充電電流，并能更快速地充電。與普通開(kāi)關(guān)電池充電器不同，LTC4156 具備即時(shí)接通工作能力，以確保甚至在電池已深度放電時(shí)，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(wú)需任何額外的組件，就能反過(guò)來(lái)向 USB 端口提供一個(gè) 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(dá) 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(dòng)再充電、壞電池檢測(cè)、可編程安全定時(shí)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

　　LTC4156 的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器工作起來(lái)像一個(gè)變壓器，允許 VOUT 端的負(fù)載電流超過(guò)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(shuō)明，LTC4156 可以怎樣以高達(dá) 3.5A 的電流高效地充電，從而實(shí)現(xiàn)了更快的充電速度。與普通開(kāi)關(guān)電池充電器不同，LTC4156 具備即時(shí)接通工作能力，以確保甚至在電池沒(méi)電或已深度放電時(shí)，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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器效率

　　LOAD CURRENT：負(fù)載電流

　　對(duì)電池而言更安全

　　在對(duì)電池快速充電時(shí)，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(shí) （如一個(gè)外部負(fù)溫度系數(shù)的 NTC 熱敏電阻所測(cè)得的那樣） ，LTC4156 會(huì)自動(dòng)停止充電。除了這一自主性功能，LTC4156 還提供一個(gè)擴(kuò)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(jiàn)圖 3） 。這個(gè) ADC 與 4 個(gè)可用的浮置電壓設(shè)置和 15 個(gè)電池充電電流設(shè)置相結(jié)合，可用來(lái)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(diǎn)

　　Temperature：溫度

　　ADC Code：ADC 代碼

　　可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的兩線 I2C 接口讀取 NTC ADC 的結(jié)果，從而能對(duì)充電電流和電壓設(shè)置進(jìn)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(wú)需任何附加組件，就能反過(guò)來(lái)向 USB 端口提供一個(gè) 5V 電源。

　　對(duì)平板電腦或工業(yè)條碼掃描器等很多便攜式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，管理兩個(gè)輸入 （例如 USB 和交流適配器）足夠了。不過(guò)，便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)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(jí)多工器根據(jù)用戶定義的優(yōu)先級(jí) （缺省優(yōu)先級(jí)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(guò)壓保護(hù) （OVP） 電路同時(shí)保護(hù)兩個(gè)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(gè)處于暫停模式的 USB 端口時(shí)，最大限度地減少電池泄漏，在 VBUS 和 VOUT 之間放置了一個(gè) 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(yùn)及貯存”特性將已經(jīng)很低的電池備用電流進(jìn)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(wú)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(duì)于新式便攜式工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)師的工作極具挑戰(zhàn)性，尤其是涉及功率時(shí)。企業(yè)要求的功能越來(lái)越需要更大的功率，結(jié)果就是更大的電池。同時(shí)，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(zhǎng)的周期壽命、較低的自放電速率和相對(duì)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(duì)待。盡管便攜式設(shè)備電源領(lǐng)域的這些趨勢(shì)成為了設(shè)計(jì)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(dá) 3.5A 的充電電流，同時(shí)提供了高性能和安全功能。