大容量磷酸鐵鋰電池需要大功率充電器

需求背景

患者護理領(lǐng)域的主要趨勢之一，是在患者家中越來(lái)越多地使用遠程監視系統。出現這種趨勢的原因很明顯，讓患者住在醫院的費用太高了，令人難以承受。因此，很多這類(lèi)便攜式電子監視系統納入了 RF 收發(fā)器，以便數據能直接發(fā)到醫院中的監察系統中，供醫生研究和分析之用。顯然，這類(lèi)系統通常由 AC 電源、電池或同時(shí)由二者供電。為了確保在除醫院之外的其他地點(diǎn)使用時(shí)，系統能連續工作，這種冗余性是必要的。此外，在便攜式醫療診斷設備領(lǐng)域取得了很多新的進(jìn)展，例如醫生和護士到處攜帶的設備，都將電池作為主電源，或將電池作為備份電源，以防 AC 電源中斷。這類(lèi)系統需要高效率電池充電電路。

除了醫療應用，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備等都需要單節大容量電池，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)。這種趨勢的一個(gè)例子是，磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池已在許多應用中嶄露頭角，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(cháng)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，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(cháng)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。通常醫療和工業(yè)應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(cháng)的周期壽命。備份應用需要更長(cháng)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)或醫療設備的電源架構常常與大顯示屏智能手機的電源架構類(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(guò)去，很多大功率設備使用兩節 7.4V (8.4V 浮置電壓) 鋰離子電池，以滿(mǎn)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)越多的手持式設備采用了更低電壓的架構，這使得可以使用單節鋰離子電池。典型的便攜式醫療或工業(yè)設備具有很多功能和非常大(就便攜式設備而言)的顯示屏。當用 3.7V 電池供電時(shí)，其容量必須以數千毫瓦小時(shí)計。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(hù)依然想用 USB 端口給他們的大功率設備充電。為了滿(mǎn)足這種要求，當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)品需要保護敏感的下游低壓組件，使它們免受可能由損壞導致的過(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到負載，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，并監視關(guān)鍵的系統參數。

磷酸鐵鋰電池較低的 3.6V 浮動(dòng)電壓導致無(wú)法使用標準的鋰離子電池充電器。如果充電不當，就有可能對這種電池造成無(wú)法修復的損壞。準確的浮動(dòng)電壓充電將延長(cháng)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)早地出現故障 (倘若新電池過(guò)早地“深度循環(huán)”)。

主要設計限制總結如下：

· 大容量電池需要大的充電電流和高效率

· 很多便攜式應用，包括工業(yè)和醫療設備，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(mǎn)足這些設計限制的 IC 解決方案都必須是緊湊和單片型的，能應對快速、高效率給單節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)和醫療產(chǎn)品在全球的采用率。

應對采用單節電池的便攜式設備的功率挑戰

盡管上述要求也許看似不可能用單片 IC 來(lái)滿(mǎn)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，適用于采用單節電池的便攜式應用，例如便攜式醫療和工業(yè)設備、備份設備和高功率密度電池供電應用。該 IC 為從各種電源高效率傳送高達 15W 的功率而設計，同時(shí)最大限度地降低了功耗，并減輕了熱量預算限制。LTC4156 的開(kāi)關(guān)電源通路拓撲無(wú)縫地管理從兩個(gè)輸入電源，例如交流適配器和 USB 端口，到設備的可再充電磷酸鐵鋰電池的功率分配，同時(shí)當輸入功率有限時(shí)，優(yōu)先向系統負載供電。參見(jiàn)圖 1。