技術(shù)秘技：大容量磷酸鐵鋰電池需要大功率充電器

　　患者護理領(lǐng)域的主要趨勢之一，是在患者家中越來越多地使用遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。出現(xiàn)這種趨勢的原因很明顯，讓患者住在醫(yī)院的費用太高了，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、電池或同時由二者供電。為了確保在除醫(yī)院之外的其他地點使用時，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展，例如醫(yī)生和護士到處攜帶的設(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、堅固耐用的平板電腦、庫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，人們一直在開發(fā)新的、基于鋰的化學(xué)陽極/陰極組合，這類組合也在不斷地推向主流市場。這種趨勢的一個例子是，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的電池壽命。而且這種化學(xué)組成的電池還同時具備基于鈷的鋰離子電池所具備的其他許多優(yōu)勢，包括較低的自放電速率和相對較輕的重量。相比之下，除了改善安全性 （因為具有抗“熱失控”能力） 及延長電池循環(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的周期壽命。備份應(yīng)用需要更長的周期壽命，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，因為其單位重量能量密度 （Wh/kg） 和單位體積能量密度 （Wh/m3） 很高。過去，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，但是由于價格低廉的 5V 電源管理 IC 的上市，越來越多的手持式設(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，其容量必須以數(shù)千毫瓦小時計。為了用幾小時給這么大容量的電池充電，就需要幾安培的充電電流。

　　不過，即使需要這么大的充電電流，在沒有大電流交流適配器可用時，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，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)品需要保護敏感的下游低壓組件，使它們免受可能由損壞導(dǎo)致的過壓事件的影響，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，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 浮動電壓導(dǎo)致無法使用標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子電池充電器。如果充電不當(dāng)，就有可能對這種電池造成無法修復(fù)的損壞。準(zhǔn)確的浮動電壓充電將延長電池的壽命。與基于鈷的鋰離子電池相比，LiFePO4 電池的優(yōu)點包括體積能量密度 （每單位體積的容量） 較高，而且不容易過早地出現(xiàn)故障 （倘若新電池過早地“深度循環(huán)”）。

　　主要設(shè)計限制總結(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

　　上面討論的任何滿足這些設(shè)計限制的 IC 解決方案都必須是緊湊和單片型的，能應(yīng)對快速、高效率給單節(jié)大容量電池充電的問題，并與磷酸鐵鋰等新的化學(xué)組成兼容。這樣的設(shè)備會成為催化劑，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 來滿足，但是看一下 LTC4156 吧。LTC4156 緊隨流行的、基于鋰材料的 LTC4155 而來，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，同時最大限度地降低了功耗，并減輕了熱量預(yù)算限制。LTC4156 的開關(guān)電源通路拓?fù)錈o縫地管理從兩個輸入電源，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，同時當(dāng)輸入功率有限時，優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。參見圖 1。

圖 1：LTC4156 的典型應(yīng)用電路

　　由于節(jié)省功率，所以 LTC4156 允許輸出負(fù)載電流超過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，該 IC 的開關(guān)穩(wěn)壓器能高效率傳送超過 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。與普通開關(guān)電池充電器不同，LTC4156 具備即時接通工作能力，以確保甚至在電池已深度放電時，一插上插頭系統(tǒng)就可以供電。由于支持 USB OTG （On-the-Go），所以無需任何額外的組件，就能反過來向 USB 端口提供一個 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。該充電器包括自動再充電、壞電池檢測、可編程安全定時器、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)部開關(guān)穩(wěn)壓器

　　LTC4156 的開關(guān)穩(wěn)壓器工作起來像一個變壓器，允許 VOUT 端的負(fù)載電流超過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。前述例子說明，LTC4156 可以怎樣以高達(dá) 3.5A 的電流高效地充電，從而實現(xiàn)了更快的充電速度。與普通開關(guān)電池充電器不同，LTC4156 具備即時接通工作能力，以確保甚至在電池沒電或已深度放電時，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

　　對電池而言更安全

　　在對電池快速充電時，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 （如一個外部負(fù)溫度系數(shù)的 NTC 熱敏電阻所測得的那樣） ，LTC4156 會自動停止充電。除了這一自主性功能，LTC4156 還提供一個擴展標(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 （參見圖 3） 。這個 ADC 與 4 個可用的浮置電壓設(shè)置和 15 個電池充電電流設(shè)置相結(jié)合，可用來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

　　可通過一個簡單的兩線 I2C 接口讀取 NTC ADC 的結(jié)果，從而能對充電電流和電壓設(shè)置進行調(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，所以無需任何附加組件，就能反過來向 USB 端口提供一個 5V 電源。

　　高效率內(nèi)部開關(guān)穩(wěn)壓器

　　LTC4156 的開關(guān)穩(wěn)壓器工作起來像一個變壓器，允許 VOUT 端的負(fù)載電流超過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。前述例子說明，LTC4156 可以怎樣以高達(dá) 3.5A 的電流高效地充電，從而實現(xiàn)了更快的充電速度。與普通開關(guān)電池充電器不同，LTC4156 具備即時接通工作能力，以確保甚至在電池沒電或已深度放電時，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

　　對電池而言更安全

　　在對電池快速充電時，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 （如一個外部負(fù)溫度系數(shù)的 NTC 熱敏電阻所測得的那樣） ，LTC4156 會自動停止充電。除了這一自主性功能，LTC4156 還提供一個擴展標(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 （參見圖 3） 。這個 ADC 與 4 個可用的浮置電壓設(shè)置和 15 個電池充電電流設(shè)置相結(jié)合，可用來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

可通過一個簡單的兩線 I2C 接口讀取 NTC ADC 的結(jié)果，從而能對充電電流和電壓設(shè)置進行調(diào)整。該通信總線允許 LTC4156 指示