患者護(hù)理范疇的緊要趨勢(shì)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(shì)的原由很分明，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)能筆直發(fā)到醫(yī)院中的監(jiān)察系統(tǒng)中，供醫(yī)生研究和分解之用。顯然，這類系統(tǒng)通常由AC電源、電池或同時(shí)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(shí)，系統(tǒng)能繼續(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)備范疇取得了很多新的進(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姵刈鳛閭浞蓦娫矗苑繟C電源中斷。這類系統(tǒng)要高效率電池充電電路。

除了醫(yī)療使用，便攜式工業(yè)銀行終端、堅(jiān)固耐用的平板電腦、庫(kù)存控制和條碼掃描設(shè)備等都要單節(jié)大容量電池，以減小外形尺寸和重量。基于鋰材料的電池一直是最流行的選擇。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(chǎng)。這種趨勢(shì)的一個(gè)例子是，磷酸鐵鋰(LiFepO4)電池已在許多使用中嶄露頭角，與基于鈷的鋰離子/鋰聚合物電池相比，磷酸鐵鋰離子電池可供應(yīng)更高的安全性和更長(zhǎng)的電池壽命。而且這種化學(xué)組成的電池還同時(shí)具備基于鈷的鋰離子電池所具備的其他許多優(yōu)點(diǎn)，包括較低的自放電速率和相對(duì)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?及延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命之外，磷酸鐵鋰離子電池具備更高的峰值功率額定值，對(duì)環(huán)境影響更小。通常醫(yī)療和工業(yè)使用愿意接受磷酸鐵鋰離子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(zhǎng)的周期壽命。備份使用要更長(zhǎng)的周期壽命，且要能以大電流放電。

如何得到更大的功率

很多手持式工業(yè)或醫(yī)療設(shè)備的電源架構(gòu)經(jīng)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(jià)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(shí)，其容量非得以數(shù)千毫瓦小時(shí)計(jì)。為了用幾小時(shí)給這么大容量的電池充電，就要幾安培的充電電流。

不過，即使要這么大的充電電流，在沒有大電流交流適配器可用時(shí)，用戶仍舊想用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(shí)，電池充電器非得能以大電流(》2A)充電，但是依然能高效率地利用USb端口可供應(yīng)的2.5W至4.5W功率。此外，該IC產(chǎn)品要保護(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(shí)，該IC非得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)。

磷酸鐵鋰離子電池較低的3.6V浮動(dòng)電壓導(dǎo)致無法使用標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子電池充電器。倘若充電不當(dāng)，就有可能對(duì)這種電池造成無法修復(fù)的損壞。準(zhǔn)確的浮動(dòng)電壓充電將延長(zhǎng)電池的壽命。與基于鈷的鋰離子電池相比，LiFepO4電池的優(yōu)勢(shì)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(假若新電池過早地“深度循環(huán)”)。

緊要設(shè)計(jì)限制總結(jié)如下：

。大容量電池要大的充電電流和高效率

。很多便攜式使用，包括工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備，都要USb兼容充電所供應(yīng)的便利性

。磷酸鐵鋰離子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)點(diǎn)

上面討論的任何滿足這些設(shè)計(jì)限制的IC處理辦法都非得是緊湊和單片型的，能應(yīng)對(duì)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(huì)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(duì)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)電池的便攜式使用，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使用。該IC為從各種電源高效率傳送高達(dá)15W的功率而設(shè)計(jì)，同時(shí)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(gè)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離子電池的功率分配，同時(shí)當(dāng)輸入功率有限時(shí)，優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。參見圖1。

圖1：LTC4156的典型使用電路

TOSYSTEMLOAD：至系統(tǒng)負(fù)載

由于節(jié)省功率，所以LTC4156準(zhǔn)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(huì)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(shí)，該IC的開關(guān)穩(wěn)壓器能高效率傳送超過85%的可用功率，供應(yīng)高達(dá)~2.4A的充電電流，并能更快速地充電。與一般開關(guān)電池充電器不同，LTC4156具備即時(shí)接通工作能力，以確保甚至在電池已深度放電時(shí)，一插上插頭系統(tǒng)就可以供電。由于支持USbOTG(On-the-Go)，所以無需任何額外的組件，就能反過來向USb端口供應(yīng)一個(gè)5V電源。

LTC4156的自主全功能單節(jié)磷酸鐵鋰離子電池充電器能供應(yīng)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(dòng)再充電、壞電池測(cè)試、可編程安全按時(shí)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4mmx5mmQFN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(gè)變壓器，準(zhǔn)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，充足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可以如何以高達(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。與一般開關(guān)電池充電器不同，LTC4156具備即時(shí)接通工作能力，以確保甚至在電池沒電或已深度放電時(shí)，一插上電源就可向系統(tǒng)供電。

圖2：LTC4156VOUT效率隨負(fù)載電流變化的曲線

EFFICIENCY：效率

SwitchingRegulatorEfficiency：開關(guān)穩(wěn)壓器效率

LOADCURRENT：負(fù)載電流

對(duì)電池而言更安全

在對(duì)電池快速充電時(shí)，監(jiān)視電池的安全性是很緊要的。當(dāng)電池溫度降至低于0°C或升至高于60°C時(shí)(如一個(gè)外部負(fù)溫度系數(shù)的NTC熱敏電阻所測(cè)得的那樣)，LTC4156會(huì)自動(dòng)停止充電。除了這一自主性功能，LTC4156還供應(yīng)一個(gè)擴(kuò)展標(biāo)度的7位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以憑借約1°C的辨別率監(jiān)視電池溫度(參見圖3)。這個(gè)ADC與4個(gè)可用的浮置電壓設(shè)置和15個(gè)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。

圖3：7位熱敏電阻ADC顯示預(yù)置的LTC4156溫度跳變點(diǎn)

Temperature：溫度

ADCCode：ADC代碼

可通過一個(gè)簡(jiǎn)單的兩線I2C接口讀取NTCADC的結(jié)果，從而能對(duì)充電電流和電壓設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。該通信總線準(zhǔn)許LTC4156指示額外的狀態(tài)信息，例如輸入電源狀態(tài)、充電器狀態(tài)和故障狀態(tài)。由于支持USbOn-The-Go，所以無需任何附加組件，就能反過來向USb端口供應(yīng)一個(gè)5V電源。

對(duì)平板電腦或工業(yè)條碼掃描器等很多便攜式使用來說，管理兩個(gè)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(jì)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(jí)多工器依據(jù)用戶含義的優(yōu)先級(jí)(缺省優(yōu)先級(jí)為適配器輸入)，自主地選擇最適宜的輸入(交流適配器或USb)。過壓保護(hù)(OVp)電路同時(shí)保護(hù)兩個(gè)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，即使輸入功率不充分或不存在，也總是可以向VOUT供應(yīng)充分的功率。為了在設(shè)備連接到一個(gè)處于暫停模式的USb端口時(shí)，最大限度地減少電池泄漏，在VbUS和VOUT之間放置了一個(gè)LDO，以向使用供應(yīng)可準(zhǔn)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。

結(jié)論

有關(guān)新式便攜式工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備來說，設(shè)計(jì)師的工作極具挑戰(zhàn)性，尤其是涉及功率時(shí)。公司要求的功能越來越要更大的功率，結(jié)果就是更大的電池。同時(shí)，人們要便利性，希望可用任何電源給這些電池充電。由于固有的安全性、低浮置電壓、更長(zhǎng)的周期壽命、較低的自放電速率和相對(duì)輕的重量，磷酸鐵鋰離子電池正在成為主流選擇。但是像任何可再充電電池相同，磷酸鐵鋰離子電池非得小心對(duì)待。盡管便攜式設(shè)備電源范疇的這些趨勢(shì)成為了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但是LTC4156使事情容易多了。在低壓系統(tǒng)中，LTC4156高效率地供應(yīng)了高達(dá)3.5A的充電電流，同時(shí)供應(yīng)了高性能和安全功能。