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技術(shù)秘技:為何大容量磷酸鐵鋰電池需要大功率充電器?

作者: 時間:2013-09-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏


  需求背景

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/228263.htm

  患者護(hù)理領(lǐng)域的主要趨勢之一,是在患者家中越來越多地使用遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。出現(xiàn)這種趨勢的原因很明顯,讓患者住在醫(yī)院的費(fèi)用太高了,令人難以承受。因此,很多這類便攜式電子監(jiān)視系統(tǒng)納入了 RF 收發(fā)器,以便數(shù)據(jù)能直接發(fā)到醫(yī)院中的監(jiān)察系統(tǒng)中,供醫(yī)生研究和分析之用。顯然,這類系統(tǒng)通常由 AC 電源、電池或同時由二者供電。為了確保在除醫(yī)院之外的其他地點(diǎn)使用時,系統(tǒng)能連續(xù)工作,這種冗余性是必要的。此外,在便攜式醫(yī)療診斷設(shè)備領(lǐng)域取得了很多新的進(jìn)展,例如醫(yī)生和護(hù)士到處攜帶的設(shè)備,都將電池作為主電源,或?qū)㈦姵刈鳛閭浞蓦娫?,以?AC 電源中斷。這類系統(tǒng)需要高效率電池充電電路。

  除了醫(yī)療應(yīng)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(shè)備等都需要單節(jié)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(zhǔn)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(fā)新的、基于鋰的化學(xué)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(yīng)用中嶄露頭角,與基于鈷的鋰離子 / 鋰聚合物電池相比,磷酸鐵可提供更高的安全性和更長的電池壽命。而且這種化學(xué)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(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?yàn)榫哂锌埂盁崾Э亍蹦芰Γ?及延長電池循環(huán)壽命之外,磷酸鐵具備更高的峰值功率額定值,對環(huán)境影響更小。通常醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用愿意接受磷酸鐵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(yīng)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(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。

  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(shè)備充電。為了滿足這種要求,當(dāng)有交流適配器可用時,電池必須能以大電流 (》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(hù)敏感的下游低壓組件,使它們免受可能由損壞導(dǎo)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(dǎo)到負(fù)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(jiān)視關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)。

  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。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 (每單位體積的容量) 較高,而且不容易過早地出現(xiàn)故障 (倘若新電池過早地“深度循環(huán)”)。

  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,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。

  技術(shù)秘技:為何大容量磷酸鐵鋰電池需要大功率充電器?

  圖 1:LTC4156 的典型應(yīng)用電路

  TO SYSTEM LOAD:至系統(tǒng)負(fù)載

  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


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