Kraftarkitekturen hos många industriella eller medicintekniska produkter liknar ofta en smartphone med stor skärm. Vanligtvis har 3,7V (slutlig laddning eller "flottör" spänning på 4,2V) Li-Ion använts som huvudkraftkälla på grund av dess höga energitäthet per enhetsvikt (Wh/kg) och energitäthet per enhetsvolym (Wh/m3). Tidigare använde många högeffektenheter två 7,4V (8,4V flottörspänning) Li-Ion-batterier för att uppfylla effektkraven, men på grund av tillgången på billig 5V-strömhantering använder fler och fler handhållna enheter lägre spänningsarkitektur, vilket gör det möjligt att använda ett encelligt Li-Ion-batteri. En typisk bärbar medicinsk eller industriell enhet har många funktioner och en mycket stor (för bärbara enheter) skärm. När den drivs av ett 3,7V-batteri måste dess kapacitet mätas i tusentals milliwatttimmar. För att ladda ett så stort batteri på några timmar krävs en laddningsström på flera ampere.
Den låga 3,6V flottörspänningen hos LiFePO4-batterier förhindrar användning av standard Li-Ion. Felaktig laddning kan orsaka irreparabel skada på batteriet. Noggrann flottörspänningsladdning förlänger batteriets livslängd. Fördelarna med LiFePO4-batterier jämfört med koboltbaserade litiumjonbatterier inkluderar högre volymetrisk energitäthet och mindre benägna att misslyckas i förtid.
De viktigaste designbegränsningarna sammanfattas på följande sätt:
Högkapacitetsbatterier kräver hög laddningsström och hög effektivitet
Många bärbara applikationer, inklusive industriell och medicinsk utrustning, kräver bekvämligheten med USB-kompatibel laddning
LiFePO4-batterier har särskilda laddningskrav, nämligen lägre flottörspänning, och har vissa tröstande fördelar jämfört med Li-Ion-batterier
Alla IC-lösningar som diskuteras ovan och som uppfyller dessa designbegränsningar måste vara kompakta och monolitiska, kunna snabb, effektiv laddning av encelliga högkapacitetsbatterier och kompatibla med nya kemier som litiumjärnfosfat. En sådan anordning skulle kunna vara en katalysator för att öka den globala användningen av bärbara industriella och medicinska produkter med batterier med hög kapacitet.
Ta itu med de bärbara enheternas kraftutmaningar med encellsbatterier
Även om ovanstående krav kan tyckas omöjliga att uppfylla med en monolitisk IC, ta en titt på LTC4156. LTC4156 följer den populära litiumbaserade LTC4155 och är en högeffektiv, I2C-kontrollerad, högeffektiv PowerPath-chef™, idealisk styrenhet och litiumjärnfosfat (LiFePO4) batteriladdare för bärbara applikationer som använder encellsbatterier, såsom bärbar medicinsk och industriell utrustning, reservutrustning och batteridrivna applikationer med hög effektdensitet. IC är utformad för att effektivt leverera upp till 15 W ström från en mängd olika strömförsörjningar, samtidigt som strömförbrukningen minimeras och termiska budgetbegränsningar minskas. LTC4156:s genomgående topologi hanterar sömlöst strömfördelningen från två ingångskällor, såsom nätadaptern och USB-porten, till enhetens uppladdningsbara litiumjärnfosfatbatteri, samtidigt som effekten prioriteras till systembelastningen när ingångseffekten är begränsad. Se figur 1.
Bild 1: Typisk applikationskrets för LTC4156
På grund av energibesparingarna tillåter LTC4156 utmatningsströmmen att överstiga den ström som dras av ingångsförsörjningen, vilket maximerar användningen av tillgänglig ström för att ladda batteriet utan att överskrida specifikationen för ingångsförsörjningen. Till exempel, när den drivs av en 5V / 2A nätadapter med 10W tillgänglig effekt, kan IC: s kopplingsregulator effektivt leverera över 85% av den tillgängliga strömmen, ge upp till ~ 2.4A laddningsström och ladda snabbare . Till skillnad från vanliga batteriladdare för att slå in har LTC4156 omedelbar drift för att säkerställa att strömmen är tillgänglig så snart systemet är anslutet, även när batteriet är djupt urladdat. Eftersom den stöder USBOTG (On-the-Go) kan den i sin tur ge en 5V-strömförsörjning till USB-porten utan ytterligare komponenter.
LTC4156:s autonoma fullfjädrade encelliga LiFePO4-batteriladdare kan leverera upp till 3,5A laddningsström med 15 användarvalbara laddningsströmsinställningar. Laddaren inkluderar automatisk laddning, dålig batteridetektering, programmerbar säkerhetsutmatare, kontrollerad temperaturkvalificerad laddning, programmerbar indikation/avslutning av slutladdning och programmerbara avbrott. LTC4156 är förpackad i en låg profil (0,75 mm) 28-stifts 4mmx5mmQFN-förpackning och är garanterad att fungera över temperaturområdet -40C till 125C.
Högeffektiv intern kopplingsregulator
LTC4156:s kopplingsregulator fungerar som en transformator, vilket gör att belastningsströmmen vid VOUT kan överstiga strömmen som dras av ingångstillförseln, och möjligheten att ladda batteriet helt med den tillgängliga effekten förbättras avsevärt jämfört med typiska linjära lägesladdare. De föregående exemplen illustrerar hur LTC4156 effektivt kan ladda upp till 3,5A, vilket möjliggör snabbare laddningshastigheter. Till skillnad från vanliga batteriladdare för omkoppling har LTC4156 omedelbar drift för att säkerställa att strömmen är tillgänglig för systemet så snart den är ansluten, även när batteriet är dött eller djupt urladdat.
Figur 2: LTC4156VOUT-effektivitet jämfört med belastningsström
Säkrare för batterier
Det är viktigt att övervaka batteriets säkerhet när batteriet laddas snabbt. När batteritemperaturen sjunker under 0C eller stiger över 60C (mätt med en extern negativ temperaturkoefficient NTC-thermistor) slutar LTC4156 automatiskt att ladda. Utöver denna autonoma funktion tillhandahåller LTC4156 en utökad 7-bitars analog-till-digital-omvandlare (ADC) för att övervaka batteritemperaturen med ~ 1C-upplösning (se bild 3). Denna ADC, i kombination med de 4 tillgängliga flottörspänningsinställningarna och 15 inställningar för batteriladdningsström, kan användas för att bygga anpassade laddningsalgoritmer baserade på batteritemperatur.
Bild 3: 7-bitars thermistor ADC som visar förinställda LTC4156 temperaturpunkter
För många bärbara applikationer som tablet-datorer eller industriella streckkodsläsare är det tillräckligt att hantera två ingångar (t.ex. USB- och nätadapter). Men bärbara enhetsdesigners letar ständigt efter sätt att ladda batterier från alla tillgängliga strömkällor. LTC4156:s dubbla indata, prioriterade multiplexer väljer autonomt den lämpligaste ingången (nätadapter eller USB) baserat på en användardefinierad prioritet (standardprioritet är adapteringång). En OVP-krets (Overvoltage Protection) skyddar båda ingångerna samtidigt från skador orsakade av oavsiktligt applicerade höga eller omvända spänningar. Den idealiska diodlad styrenheten hos LTC4156 garanterar att tillräcklig effekt alltid är tillgänglig för VOUT även om ingångseffekten är otillräcklig eller obefintlig. För att minimera batteriläckage när enheten är ansluten till en USB-port i uppehållsläge placeras en LDO mellan VBUS och VOUT för att ge applikationen tillåten USB-uppehållsström. För att eliminera batteriläckage under tillverkning och försäljning minskar funktionen "skepp och butik" ytterligare den redan låga batteribackupströmmen till nästan noll.
Slutligen är LTC4156 helt stift- och komponentkompatibel med LTC4155 Li-Ion-versionen, vilket möjliggör flexibilitet och bekvämlighet med sista minuten-batterikemier utan behov av stora omorganiseringar.
Sammanfattningsvis
För ny bärbar industriell och medicinsk utrustning är designerns jobb extremt utmanande, särskilt när det handlar om kraft. Företags efterfrågade funktioner kräver i allt högre grad mer kraft och därmed större batterier. Samtidigt behöver människor bekvämlighet och vill ladda dessa batterier med vilken strömkälla som helst. Litiumjärnfosfatbatterier blir det vanliga valet på grund av deras inneboende säkerhet, låg flottörspänning, längre cykellivslängd, lägre självurladdningshastighet och relativt lätt vikt. Men som alla uppladdningsbara batterier måste litiumjärnfosfatbatterier behandlas med försiktighet. Även om dessa trender inom bärbara nätaggregat har skapat designutmaningar, gör LTC4156 saker mycket enklare. I lågspänningssystem levererar LTC4156 effektivt upp till 3,5A laddningsström samtidigt som den ger höga prestanda- och säkerhetsfunktioner.
