大容量磷酸鐵鋰電池需要大功率充電器

需求背景

患者護理領域的主要趨勢之一，是在患者家中越來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，很多這類便攜式電子監視系統納入了 RF 收發器，以便數據能直接發到醫院中的監察系統中，供醫生研究和分析之用。顯然，這類系統通常由 AC 電源、電池或同時由二者供電。為了確保在除醫院之外的其他地點使用時，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域取得了很多新的進展，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。這類系統需要高效率電池充電電路。

除了醫療應用，便攜式工業銀行終端、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電池充電，卻不是非微不足道的事情。此外，人們一直在開發新的、基于鋰的化學陽極/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) 及延長電池循環壽命之外，磷酸鐵鋰電池具備更高的峰值功率額定值，對環境影響更小。通常醫療和工業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的周期壽命。備份應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，很多大功率設備使用兩節 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，其容量必須以數千毫瓦小時計。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備充電。為了滿足這種要求，當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，該 IC 必須安全地管理電池充電算法，并監視關鍵的系統參數。

磷酸鐵鋰電池較低的 3.6V 浮動電壓導致無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法修復的損壞。準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故障 (倘若新電池過早地“深度循環”)。

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勢

上面討論的任何滿足這些設計限制的 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題，并與磷酸鐵鋰等新的化學組成兼容。這樣的設備會成為催化劑，能提高采用大容量電池的便攜式工業和醫療產品在全球的采用率。

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，適用于采用單節電池的便攜式應用，例如便攜式醫療和工業設備、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，同時最大限度地降低了功耗，并減輕了熱量預算限制。LTC4156 的開關電源通路拓撲無縫地管理從兩個輸入電源，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，同時當輸入功率有限時，優先向系統負載供電。參見圖 1。