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(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(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。基于鋰材料的電池一直是最流行的選擇。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?ldquo;熱失控”能力）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龋╓h/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。