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。

 

　　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(diǎn)包括體積能量密度較高，而且不容易過早地出現(xiàn)故障。

 

　　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USBOTG(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4mmx5mmQFN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(shí)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：LTC4156VOUT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(kuò)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(diǎn)  

 

　　對平板電腦或工業(yè)條碼掃描器等很多便攜式應(yīng)用來說，管理兩個輸入(例如USB和交流適配器)足夠了。不過，便攜式設(shè)備設(shè)計師一直在不斷尋求用任何可用電源給電池充電的方式。LTC4156的雙輸入、優(yōu)先級多工器根據(jù)用戶定義的優(yōu)先級(缺省優(yōu)先級為適配器輸入)，自主地選擇最合適的輸入(交流適配器或USB)。過壓保護(hù)(OVP)電路同時保護(hù)兩個輸入，以免受到意外加上的高壓或反向電壓引起的損壞。LTC4156的理想二極管控制器保證，即使輸入功率不充足或不存在，也總是可以向VOUT提供充足的功率。為了在設(shè)備連接到一個處于暫停模式的USB端口時，最大限度地減少電池泄漏，在VBUS和VOUT之間放置了一個LDO，以向應(yīng)用提供可允許的USB暫停電流。為了消除制造和銷售階段的電池泄漏，“裝運(yùn)及貯存”特性將已經(jīng)很低的電池備用電流進(jìn)一步降至幾乎為零。

 

　　最后，LTC4156與LTC4155鋰離子版本是引腳和組件完全兼容的，從而無需重新大面積安排電路板，就可以靈活方便地在最后一分鐘更換不同化學(xué)組成的電池。

 

　　結(jié)論

 

　　對于新式便攜式工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備來說，設(shè)計師的工作極具挑戰(zhàn)性，尤其是涉及功率時。企業(yè)要求的功能越來越需要更大的功率，結(jié)果就是更大的電池。同時，人們需要便利性，希望可用任何電源給這些電池充電。由于固有的安全性、低浮置電壓、更長的周期壽命、較低的自放電速率和相對輕的重量，磷酸鐵鋰電池正在成為主流選擇。但是像任何可再充電電池一樣，磷酸鐵鋰電池必須小心對待。盡管便攜式設(shè)備電源領(lǐng)域的這些趨勢成為了設(shè)計挑戰(zhàn)，但是LTC4156使事情容易多了。在低壓系統(tǒng)中，LTC4156高效率地提供了高達(dá)3.5A的充電電流，同時提供了高性能和安全功能。