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。

 

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 USB OTG (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 4mm x 5mm QFN 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。

 

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。

 

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。