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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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。