基于高功率充电器的大容量磷酸锂铁电池设计 - 全文

　　病患照护领域其中一项关键趋势，就是越来越多病患在自己家中使用远端监视系统。造成此趋势的塬因显而易见－病患留院治疗的成本贵到让很多民众无力负担。因此，许多可携式电子监视系统结合了射频发送器，能把资料直接传送到医院内的监管系统，并交给相关人员检视与分析。这些种类的系统通常採用交流电作为主要电源，亦可使用电池供电，或插电∕电池两用的设计。冗余的电源设计是绝对必要的，如此才能在没有电源插座的地方确保装置仍能持续运作。此外，可携式医疗诊断装置的最新发展产品，例如医生与护士随身携带的装置，它们都採用电池作为主要电力来源，或当停电时尚能以电池作为备援的电源。这些类型的系统需要一个高效率的电池充电器电路。

　　除了医疗应用之外，包括如可携式银行交易终端机、强固型平板电脑、存货控管与条码扫瞄装置，都需要大容量的单颗电池来减少体积与重量。各种锂电池仍旧是最受欢迎的选择。但这些电池想要快速充电，必须解决精準性与安全性两大棘手难题。此外，业界持续开发出全新的锂基化学材料的阳极∕阴极组合，并将产品导入主流市场。因此，许多应用开始採用磷酸锂铁（LiFePO4）电池芯，因为它们提供胜过钴锂离子∕聚合物电池芯的安全性及更长的週期寿命。这类化学材料亦提供钴基锂离子电池芯的其他优点，包括低自放电率及相对较低的重量。

　　除了改进安全性（比较能避免电池热变形的问题）及更长的週期寿命之外，磷酸锂铁电池还提供相对较高的尖峰功率，而且产生的环境污染也较少。医疗与工业应用通常愿意接受磷酸锂铁电池较低的容积能量密度，以换取更高的安全性与週期寿命。各种备援应用要求更高的週期寿命，而且能够进行高电流的放电动作。

　　如何获得更多电力

　　许多掌上型工业或医疗装置的电源架构，通常很类似搭载大萤幕的智慧型手机。一般而言，会使用一个3.7V（4.2V最后充电或浮动电压）锂离子电池作为主电源，因为它们具有高重量（Wh/kg）与容积（Wh/m3）单位的能量密度。过去，许多高功率装置都使用一个双颗7.4V（8.4V浮动电压）锂离子电池来满足电源需求，但自从市面上出现平价5V电源管理IC，促使越来越多掌上型装置改採较低电压的架构，以便让产品能使用单颗锂电池。典型的可携式医疗或工业装置都会搭载可观的功能，并搭配超大尺吋（用在可携式装置）萤幕。当使用3.7V电池作为电源，容量必须达到数千微安培-小时。要在短短数小时内为这类电池充饱电，必须使用数安培的高电流才能进行快充。

　　然而，即使当找不到能提供高电流的墙式电源转接器，使用者会想利用USB埠来为自己的高功率装置充电。为满足这些需求，电池充电器必须能在找不到电源可用时仍能以高电流（超过2安培）来进行充电，并且还能有效率地利用USB埠提供2.5至4.5瓦的电力。

　　此外，产品必须保护敏感的下行低电压元件，避免因过压状况导致受损，并将高电压直接传导到USB输入端的负载、墙式电源转接器、或是电池，藉以把因发热导致的电力损失减至最小。在此同时，许多必须安全地管理电池充电演算法，以及监视各项关键的系统参数。

　　由于锂离子磷酸电池採用较低的3.6V浮充电压，因此排除了使用标準锂离子电池充电器的可能性。若没有正确充电，可能对电池造成无法弥补的损坏。精準的浮充电压充电可延长电池的寿命。LiFePO4磷酸锂铁相较于钴基锂离子电池的优势包括较低的容积能量密度（每单位容积的储电量），以及若新电池过早深循环则有可能永久损坏。

　　归纳关键的设计限制因素：

　　• 高容量电池需要用高电流充电以及要求高效率

　　• 包括工业与医疗在内的许多可携式应用，可提供USB相容的便利充电功能

　　• 锂离子磷酸电池有较低浮充电压的特殊充电要求，但仍提供许多超越锂离子电池的好处

　　任何IC解决方案想因应上述的设计限制因素，就必须具备微型化与单片结构等特点，不仅能快速有效率地对单蕊电池进行充电，还得相容于各种现代的电池化学材料，例如像磷酸锂铁。这样的元件将扮演催化剂的角色，促使全球市场採纳搭载大容量电池的可携式工业与医疗产品。

　　解决单蕊电池可携式装置的电力挑战

　　想透过单一IC来达到上述要求，这样的任务看似几乎不可能达成，这时您可考虑LTC4156。延续锂离子型LTC4155的脚步，新推出的LTC4156是一款高功率、以I2C介面来控制的高效率PowerPath管理器，适合作为各种单电池可携式应用的二极体控制器与磷酸锂铁（LiFePO4）电池充电器，例如可携式医疗与基础建设装置、备援装置、以及以高能量密度电池供电的应用。

　　这款IC设计用来从各种电源有效率地传送15瓦的电力，并将功耗减至最小，并排除热预算方面的限制。LTC4156的切换式PowerPath架构能无缝地管理两个输入电源的电力分配，而且当输入电源有限时，能优先为系统供应电力。请见图1所示。

　　由于省下许多电力，LTC4156让输出负载电流超越输入电源汲取的电流，为充电中的电池提供最多的可用电力，而且不会超出输入电源的供应规格。例如，当从一个5伏特、2安培的墙式电源转接器供电时，IC的交换式电压转换器能让10瓦的可用电力达到超过85％的高效转换率，提供2.4安培的充电电流，进而达到更快的充电时间。不同于一般交换式电池充电器，LTC4156具备即时启动的运作模式，确保即使是深度放电后的电池，在插上插座的瞬间系统就有电源供电。USB OTG支援功能，不需任何额外的元件就能向USB埠传送5伏特的电力。

　　LTC4156的自我管理式全功能单芯磷酸锂铁电池充电器，能搭配15种使用者自选的充电电流设定，最高支援3.5安培的充电电流。充电器内含自动充电、侦测损坏电池蕊、可设定的安全计时器、具热敏电阻的温度合格充电、可设定的充电完毕指示∕终止以及可设定的中断产生等。

　　高效率的内部交换式转换器

　　LTC4156的交换式电压调整器扮演变压器的功能，让VOUT上的负载电流超过输入端电源汲取的电流，而且相较于典型的线性模式充电器，大幅增加电池充电器可利用的电力。先前的例子显示LTC4156最高能使用3.5安培的电流进行快速充电，带来更快的充电时间。不同于一般的交换式电池充电器，LTC4156具有瞬间启动的运作模式，即使电池损坏或经过深层放电，也能确保系统电力的可用性。如图2所示。

　　更安全的电池

　　当高速对电池充电时，务必要监视电池的安全性。当电池温度下降到摄氏0度以下，或是升高到超过摄氏60度（透过外部负温度係数NTC感温电阻来测温），LTC4156就会自动停止充电。除了这项自我管理功能之外，LTC4156还提供一个7位元拓展标度的类比至数位转换器（ADC）用来监视电池温度，并提供约摄氏1度的解析度（如图3所示）。再加上4种可用的浮充电压设定以及15种电池充电电流设定，这款ADC能用来根据电池温度建立客製化的充电演算法。

　　我们可利用一个简单的2线式I2C埠来存取NTC ADC结果，藉以调整充电电流与电压设定。通讯匯流排则让LTC4156能指示额外的状态资讯，例如输入电源状态、充电器状态、以及故障状态。USB OTG支援功能，无须用到额外的元件就能把5伏特电源传回到USB埠。

　　支援两种电源输入（例如USB与墙式电源转接器），对于如平板电脑或工业条码扫瞄机在内的许多可携式应用已经足够。但可携式装置的设计师仍持续寻找各种方法，利用任何可取得的电源来为电池充电。LTC4156的双输入式优先权限多工器能自动选择最适合的输入电源，并根据使用者预设的优先顺序进行挑选（预先的优先顺序会传送到变压器的输入端）。过压保护（OVP）电路会同时保护两个输入端，避免因意外导入过高的电压或逆电压而造成损坏。LTC4156的理想二极体控制器能保证即使当输入电源不足或缺乏时，VOUT 也永远能有充裕的电力供应。为了在装置连结休眠中的USB埠时能儘可能降低电池的耗电，配置在VBUS到VOUT之间的LDO元件，能为应用提供USB休眠模式电流。为了完全消除产品从出厂到售出这段期间的电池电力消耗，出货与库存模式功能，能把已经极低的电池待机电流降低到接近于零的程度。

　　结论

　　现今可携式工业与医疗装置的产品设计师面临极艰鉅的任务－尤其是在供电方面。各领域的企业不断要求各种功能，这些都需要更多的电力，因而必须搭配更大的电池。此外，顾客希望能利用任何可取得的电源，享受便利的电池充电功能。磷酸锂铁电池逐渐成为主流选择，因为它们天生具有安全、低浮动电压、更长的週期寿命、低自放电率、以及相对较轻等优点。但它们和任何可充式电池一样，处理时都必须小心谨慎。可携式电源的趋势包括各种设计上的挑战，LTC4156让业者的工作变得更为简单。在低电压系统方面，LTC4156有效率地提供最高3.5安培的电流，以及各种高效能与安全方面的特性。