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.

圖1：LTC4156的典型應用電路

TO SYSTEM LOAD：至系統負載

由于節省功率，所以L(fǎng)TC4156允許輸出負載電流超過(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格。例如，當用5V/2A交流適配器供電、可用功率為10W時(shí)，該IC的開(kāi)關(guān)穩壓器能高效率傳送超過(guò)85%的可用功率，提供高達~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的自主全功能單節磷酸鐵鋰電池充電器能提供高達3.5A的充電電流，具備15種用戶(hù)可選的充電電流設置。該充電器包括自動(dòng)再充電、壞電池檢測、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的溫度范圍內工作有保證。