基于高功率充電器的大容量磷酸鋰鐵電池設計

病患照護領(lǐng)域其中一項關(guān)鍵趨勢，就是越來(lái)越多病患在自己家中使用遠端監視系統。造成此趨勢的塬因顯而易見(jiàn)－病患留院治療的成本貴到讓很多民眾無(wú)力負擔。因此，許多可攜式電子監視系統結合了射頻發(fā)送器，能把資料直接傳送到醫院內的監管系統，并交給相關(guān)人員檢視與分析。這些種類(lèi)的系統通常裼媒渙韉繾魑主要電源，亦可使用電池供電，或插電M電池兩用的設計。冗余的電源設計是絕對必要的，如此才能在沒(méi)有電源插座的地方確保裝置仍能持續運作。此外，可攜式醫療診斷裝置的最新發(fā)展產(chǎn)品，例如醫生與護士隨身攜帶的裝置，它們都裼玫緋刈魑主要電力來(lái)源，或當停電時(shí)尚能以電池作為備援的電源。這些類(lèi)型的系統需要一個(gè)高效率的電池充電器電路。

　　除了醫療應用之外，包括如可攜式銀行交易終端機、強固型平板電腦、存貨控管與條碼掃瞄裝置，都需要大容量的單顆電池來(lái)減少體積與重量。各種鋰電池仍舊是最受歡迎的選擇。但這些電池想要快速充電，必須解決精市雜氚踩性?xún)纱蠹蛛y題。此外，業(yè)界持續開(kāi)發(fā)出全新的鋰基化學(xué)材料的陽(yáng)極M陰極組合，并將產(chǎn)品導入主流市場(chǎng)。因此，許多應用開(kāi)始裼昧姿犸鐵（LiFePO4）電池芯，因為它們提供勝過(guò)鈷鋰離子M聚合物電池芯的安全性及更長(cháng)的L期壽命。這類(lèi)化學(xué)材料亦提供鈷基鋰離子電池芯的其他優(yōu)點(diǎn)，包括低自放電率及相對較低的重量。

　　除了改進(jìn)安全性（比較能避免電池熱變形的問(wèn)題）及更長(cháng)的L期壽命之外，磷酸鋰鐵電池還提供相對較高的尖峰功率，而且產(chǎn)生的環(huán)境污染也較少。醫療與工業(yè)應用通常愿意接受磷酸鋰鐵電池較低的容積能量密度，以換取更高的安全性與L期壽命。各種備援應用要求更高的L期壽命，而且能夠進(jìn)行高電流的放電動(dòng)作。

　　如何獲得更多電力

　　許多掌上型工業(yè)或醫療裝置的電源架構，通常很類(lèi)似搭載大螢幕的智慧型手機。一般而言，會(huì )使用一個(gè)3.7V（4.2V最后充電或浮動(dòng)電壓）鋰離子電池作為主電源，因為它們具有高重量（Wh/kg）與容積（Wh/m3）單位的能量密度。過(guò)去，許多高功率裝置都使用一個(gè)雙顆7.4V（8.4V浮動(dòng)電壓）鋰離子電池來(lái)滿(mǎn)足電源需求，但自從市面上出現平價(jià)5V電源管理IC，促使越來(lái)越多掌上型裝置改窠系偷繆溝募芄梗以便讓產(chǎn)品能使用單顆鋰電池。典型的可攜式醫療或工業(yè)裝置都會(huì )搭載可觀(guān)的功能，并搭配超大尺跡ㄓ迷誑尚式裝置）螢幕。當使用3.7V電池作為電源，容量必須達到數千微安培-小時(shí)。要在短短數小時(shí)內為這類(lèi)電池充飽電，必須使用數安培的高電流才能進(jìn)行快充。

　　然而，即使當找不到能提供高電流的墻式電源轉接器，使用者會(huì )想利用USB埠來(lái)為自己的高功率裝置充電。為滿(mǎn)足這些需求，電池充電器必須能在找不到電源可用時(shí)仍能以高電流（超過(guò)2安培）來(lái)進(jìn)行充電，并且還能有效率地利用USB埠提供2.5至4.5瓦的電力。

　　此外，產(chǎn)品必須保護敏感的下行低電壓元件，避免因過(guò)壓狀況導致受損，并將高電壓直接傳導到USB輸入端的負載、墻式電源轉接器、或是電池，藉以把因發(fā)熱導致的電力損失減至最小。在此同時(shí)，許多必須安全地管理電池充電演算法，以及監視各項關(guān)鍵的系統參數。

　　由于鋰離子磷酸電池裼媒系偷3.6V浮充電壓，因此排除了使用標曙離子電池充電器的可能性。若沒(méi)有正確充電，可能對電池造成無(wú)法彌補的損壞。精實(shí)母〕淶繆鉤淶緲裳映さ緋氐氖倜。LiFePO4磷酸鋰鐵相較于鈷基鋰離子電池的優(yōu)勢包括較低的容積能量密度（每單位容積的儲電量），以及若新電池過(guò)早深循環(huán)則有可能永久損壞。

　　歸納關(guān)鍵的設計限制因素：

　　• 高容量電池需要用高電流充電以及要求高效率

　　• 包括工業(yè)與醫療在內的許多可攜式應用，可提供USB相容的便利充電功能

　　• 鋰離子磷酸電池有較低浮充電壓的特殊充電要求，但仍提供許多超越鋰離子電池的好處

　　任何IC解決方案想因應上述的設計限制因素，就必須具備微型化與單片結構等特點(diǎn)，不僅能快速有效率地對單蕊電池進(jìn)行充電，還得相容于各種現代的電池化學(xué)材料，例如像磷酸鋰鐵。這樣的元件將扮演催化劑的角色，促使全球市場(chǎng)衲紗鈐卮筧萘康緋氐目尚式工業(yè)與醫療產(chǎn)品。

　解決單蕊電池可攜式裝置的電力挑戰

　　想透過(guò)單一IC來(lái)達到上述要求，這樣的任務(wù)看似幾乎不可能達成，這時(shí)您可考慮LTC4156。延續鋰離子型LTC4155的腳步，新推出的LTC4156是一款高功率、以I2C介面來(lái)控制的高效率PowerPath管理器，適合作為各種單電池可攜式應用的二極體控制器與磷酸鋰鐵（LiFePO4）電池充電器，例如可攜式醫療與基礎建設裝置、備援裝置、以及以高能量密度電池供電的應用。

　　這款I(lǐng)C設計用來(lái)從各種電源有效率地傳送15瓦的電力，并將功耗減至最小，并排除熱預算方面的限制。LTC4156的切換式PowerPath架構能無(wú)縫地管理兩個(gè)輸入電源的電力分配，而且當輸入電源有限時(shí)，能優(yōu)先為系統供應電力。請見(jiàn)圖1所示。

　　由于省下許多電力，LTC4156讓輸出負載電流超越輸入電源汲取的電流，為充電中的電池提供最多的可用電力，而且不會(huì )超出輸入電源的供應規格。例如，當從一個(gè)5伏特、2安培的墻式電源轉接器供電時(shí)，IC的交換式電壓轉換器能讓10瓦的可用電力達到超過(guò)85％的高效轉換率，提供2.4安培的充電電流，進(jìn)而達到更快的充電時(shí)間。不同于一般交換式電池充電器，LTC4156具備即時(shí)啟動(dòng)的運作模式，確保即使是深度放電后的電池，在插上插座的瞬間系統就有電源供電。USB OTG支援功能，不需任何額外的元件就能向USB埠傳送5伏特的電力。

　　LTC4156的自我管理式全功能單芯磷酸鋰鐵電池充電器，能搭配15種使用者自選的充電電流設定，最高支援3.5安培的充電電流。充電器內含自動(dòng)充電、偵測損壞電池蕊、可設定的安全計時(shí)器、具熱敏電阻的溫度合格充電、可設定的充電完畢指示M終止以及可設定的中斷產(chǎn)生等。

　　高效率的內部交換式轉換器

　　LTC4156的交換式電壓調整器扮演變壓器的功能，讓VOUT上的負載電流超過(guò)輸入端電源汲取的電流，而且相較于典型的線(xiàn)性模式充電器，大幅增加電池充電器可利用的電力。先前的例子顯示LTC4156最高能使用3.5安培的電流進(jìn)行快速充電，帶來(lái)更快的充電時(shí)間。不同于一般的交換式電池充電器，LTC4156具有瞬間啟動(dòng)的運作模式，即使電池損壞或經(jīng)過(guò)深層放電，也能確保系統電力的可用性。如圖2所示。

　　

更安全的電池

　　當高速對電池充電時(shí)，務(wù)必要監視電池的安全性。當電池溫度下降到攝氏0度以下，或是升高到超過(guò)攝氏60度（透過(guò)外部負溫度S數NTC感溫電阻來(lái)測溫），LTC4156就會(huì )自動(dòng)停止充電。除了這項自我管理功能之外，LTC4156還提供一個(gè)7位元拓展標度的類(lèi)比至數位轉換器（ADC）用來(lái)監視電池溫度，并提供約攝氏1度的解析度（如圖3所示）。再加上4種可用的浮充電壓設定以及15種電池充電電流設定，這款ADC能用來(lái)根據電池溫度建立客u化的充電演算法。

　　我們可利用一個(gè)簡(jiǎn)單的2線(xiàn)式I2C埠來(lái)存取NTC ADC結果，藉以調整充電電流與電壓設定。通訊R流排則讓LTC4156能指示額外的狀態(tài)資訊，例如輸入電源狀態(tài)、充電器狀態(tài)、以及故障狀態(tài)。USB OTG支援功能，無(wú)須用到額外的元件就能把5伏特電源傳回到USB埠。

　　支援兩種電源輸入（例如USB與墻式電源轉接器），對于如平板電腦或工業(yè)條碼掃瞄機在內的許多可攜式應用已經(jīng)足夠。但可攜式裝置的設計師仍持續尋找各種方法，利用任何可取得的電源來(lái)為電池充電。LTC4156的雙輸入式優(yōu)先權限多工器能自動(dòng)選擇最適合的輸入電源，并根據使用者預設的優(yōu)先順序進(jìn)行挑選（預先的優(yōu)先順序會(huì )傳送到變壓器的輸入端）。過(guò)壓保護（OVP）電路會(huì )同時(shí)保護兩個(gè)輸入端，避免因意外導入過(guò)高的電壓或逆電壓而造成損壞。LTC4156的理想二極體控制器能保證即使當輸入電源不足或缺乏時(shí)，VOUT 也永遠能有充裕的電力供應。為了在裝置連結休眠中的USB埠時(shí)能可能降低電池的耗電，配置在VBUS到VOUT之間的LDO元件，能為應用提供USB休眠模式電流。為了完全消除產(chǎn)品從出廠(chǎng)到售出這段期間的電池電力消耗，出貨與庫存模式功能，能把已經(jīng)極低的電池待機電流降低到接近于零的程度。

　　結論

　　現今可攜式工業(yè)與醫療裝置的產(chǎn)品設計師面臨極艱的任務(wù)－尤其是在供電方面。各領(lǐng)域的企業(yè)不斷要求各種功能，這些都需要更多的電力，因而必須搭配更大的電池。此外，顧客希望能利用任何可取得的電源，享受便利的電池充電功能。磷酸鋰鐵電池逐漸成為主流選擇，因為它們天生具有安全、低浮動(dòng)電壓、更長(cháng)的L期壽命、低自放電率、以及相對較輕等優(yōu)點(diǎn)。但它們和任何可充式電池一樣，處理時(shí)都必須小心謹慎?？蓴y式電源的趨勢包括各種設計上的挑戰，LTC4156讓業(yè)者的工作變得更為簡(jiǎn)單。在低電壓系統方面，LTC4156有效率地提供最高3.5安培的電流，以及各種高效能與安全方面的特性。