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为何大容量锂电池需要大功率充电器?
发布时间:2019/12/11   点击量:1281

    很多工控机工业或医疗设备的电源架构常常与大显示屏智能手机的电源架构类似。一般情况下,3.7V(最终充电或“浮置”电压为4.2V)锂离子一直用作主电源,因为其单位重量能量密度(Wh/kg)和单位体积能量密度(Wh/m3)很高。过去,很多大功率设备使用两节7.4V(8.4V浮置电压)锂离子电池,以满足功率要求,但是由于价格低廉的5V电源管理的上市,越来越多的手持式设备采用了更低电压的架构,这使得可以使用单节锂离子电池。典型的便携式医疗或工业设备具有很多功能和非常大(就便携式设备而言)的显示屏。当用3.7V电池供电时,其容量必须以数千毫瓦小时计。为了用几小时给这么大容量的电池充电,就需要几安培的充电电流。

    磷酸铁锂电池较低的3.6V浮动电压导致无法使用标准的锂离子。如果充电不当,就有可能对这种电池造成无法修复的损坏。准确的浮动电压充电将延长电池的寿命。与基于钴的锂离子电池相比,LiFePO4电池的优点包括体积能量密度较高,而且不容易过早地出现故障。

    主要设计限制总结如下:

    大容量电池需要大的充电电流和高效率

    很多便携式应用,包括工业和医疗设备,都需要USB兼容充电所提供的便利性

    磷酸铁锂电池有特殊充电要求,即更低的浮置电压,与锂离子电池相比有一些令人欣慰的优势

    上面讨论的任何满足这些设计限制的IC解决方案都必须是紧凑和单片型的,能应对快速、高效率给单节大容量电池充电的问题,并与磷酸铁锂等新的化学组成兼容。这样的设备会成为催化剂,能提高采用大容量电池的便携式工业和医疗产品在全球的采用率。

    应对采用单节电池的便携式设备的功率挑战

    尽管上述要求也许看似不可能用单片IC来满足,但是看一下LTC4156吧。LTC4156紧随流行的、基于锂材料的LTC4155而来,是一款大功率、I2C控制、高效率电源通路(PowerPath™)管理器、理想控制器和磷酸铁锂(LiFePO4)电池充电器,适用于采用单节电池的便携式应用,例如便携式医疗和工业设备、备份设备和高功率密度电池供电应用。该IC为从各种电源高效率传送高达15W的功率而设计,同时更大限度地降低了功耗,并减轻了热量预算限制。LTC4156的通路拓扑无缝地管理从两个输入电源,例如交流适配器和USB端口,到设备的可再充电磷酸铁锂电池的功率分配,同时当输入功率有限时,优先向系统负载供电。参见图1。 

 图1:LTC4156的典型应用电路

图1:LTC4156的典型应用电路

    由于节省功率,所以LTC4156允许输出负载电流超过输入电源吸取的电流,从而能更大限度地利用可用功率给电池充电,而不会超出输入电源供电规格。例如,当用5V/2A交流适配器供电、可用功率为10W时,该IC的开关稳压器能高效率传送超过85%的可用功率,提供高达~2.4A的充电电流,并能更快速地充电。与普通开关电池充电器不同,LTC4156具备即时接通工作能力,以确保甚至在电池已深度放电时,一插上系统就可以供电。由于支持USBOTG(On-the-Go),所以无需任何额外的组件,就能反过来向USB端口提供一个5V电源。

    LTC4156的自主全功能单节磷酸铁锂电池充电器能提供高达3.5A的充电电流,具备15种用户可选的充电电流设置。该充电器包括自动再充电、坏电池检测、可编程安全定时器、控制的温度合格的充电、可编程充电结束指示/终止以及可编程中断。LTC4156采用扁平(0.75mm)28引脚4mmx5mmQFN封装,在-40C至125C的温度范围内工作有保证。

    高效率内部开关稳压器

    LTC4156的开关稳压器工作起来像一个变压器,允许VOUT端的负载电流超过输入电源吸取的电流,而且与典型线性模式充电器相比,充分利用可用功率给电池充电的能力得到了极大的改善。前述例子说明,LTC4156可以怎样以高达3.5A的电流高效地充电,从而实现了更快的充电速度。与普通开关电池充电器不同,LTC4156具备即时接通工作能力,以确保甚至在电池没电或已深度放电时,一插上电源就可向系统供电。 

 图2:LTC4156VOUT效率随负载电流变化的曲线

图2:LTC4156VOUT效率随负载电流变化的曲线

    对电池而言更安全

    在对电池快速充电时,监视电池的安全性是很重要的。当电池温度降至低于0C或升至高于60C时(如一个外部负温度系数的NTC热敏电阻所测得的那样),LTC4156会自动停止充电。除了这一自主性功能,LTC4156还提供一个扩展标度的7位模数转换器(ADC),以凭借约1C的分辨率监视电池温度(参见图3)。这个ADC与4个可用的浮置电压设置和15个电池充电电流设置相结合,可用来建立基于电池温度的定制充电算法。 

 图3:7位热敏电阻ADC显示预置的LTC4156温度跳变点

图3:7位热敏电阻ADC显示预置的LTC4156温度跳变点

    对平板电脑或工业条码扫描器等很多便携式应用来说,管理两个输入(例如USB和交流适配器)足够了。不过,便携式设备设计师一直在不断寻求用任何可用电源给电池充电的方式。LTC4156的双输入、优先级多工器根据用户定义的优先级(缺省优先级为适配器输入),自主地选择最合适的输入(交流适配器或USB)。过压保护(OVP)电路同时保护两个输入,以免受到意外加上的高压或反向电压引起的损坏。LTC4156的理想二极管控制器保证,即使输入功率不充足或不存在,也总是可以向VOUT提供充足的功率。为了在设备连接到一个处于暂停模式的USB端口时,更大限度地减少电池泄漏,在VBUS和VOUT之间放置了一个LDO,以向应用提供可允许的USB暂停电流。为了消除制造和销售阶段的电池泄漏,“装运及贮存”特性将已经很低的电池备用电流进一步降至几乎为零。

    最后,LTC4156与LTC4155锂离子版本是引脚和组件完全兼容的,从而无需重新大面积安排,就可以灵活方便地在最后一分钟更换不同化学组成的电池。

    结论

    对于新式便携式工控机工业和医疗设备来说,设计师的工作极具挑战性,尤其是涉及功率时。企业要求的功能越来越需要更大的功率,结果就是更大的电池。同时,人们需要便利性,希望可用任何电源给这些电池充电。由于固有的安全性、低浮置电压、更长的周期寿命、较低的自放电速率和相对轻的重量,磷酸铁锂电池正在成为主流选择。但是像任何可再充电电池一样,磷酸铁锂电池必须小心对待。尽管便携式设备电源领域的这些趋势成为了设计挑战,但是LTC4156使事情容易多了。在低压系统中,LTC4156高效率地提供了高达3.5A的充电电流,同时提供了高性能和安全功能。

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