Силова архітектура багатьох промислових або медичних пристроїв часто схожа на архітектуру смартфона з великим дисплеєм. Як правило, 3,7 В (кінцевий заряд або «плаваюча» напруга 4,2 В) Li-Ion використовується як основне джерело живлення через високу щільність енергії на одиницю ваги (Вт/кг) та щільність енергії на одиницю об'єму (Вт/м3). У минулому багато високопотужних пристроїв використовували дві літій-іонні батареї 7,4 В (8,4 В) для задоволення вимог до потужності, але завдяки наявності недорогого управління живленням 5В все більше портативних пристроїв використовують архітектуру меншої напруги, що дає можливість використовувати одноклітинну літій-іонну батарею. Типовий портативний медичний або промисловий пристрій має безліч функцій і дуже великий (для портативних пристроїв) дисплей екрану. При живленні від акумулятора на 3,7 В його ємність повинна бути виміряна в тисячах міліватт-годин. Для того щоб зарядити таку велику батарею за кілька годин, потрібен струм зарядки декількох підсилювачів.
Низька поплавкова напруга 3,6 В батарей LiFePO4 перешкоджає використанню стандартного Літій-Іонного. Неправильна зарядка може завдати непоправної шкоди цій батареї. Точна зарядка поплавкової напруги продовжить час автономної роботи. Переваги акумуляторів LiFePO4 в порівнянні з літій-іонними батареями на основі кобальту включають більш високу об'ємну щільність енергії і менш схильну до передчасного виходу з ладу.
Основні конструктивні обмеження узагальнюються наступним чином:
Акумулятори високої місткості вимагають високого струму зарядки і високої ефективності
Багато портативних додатків, включаючи промислове та медичне обладнання, вимагають зручності USB-сумісної зарядки
Акумулятори LiFePO4 мають особливі вимоги до зарядки, а саме нижчу напругу поплавка, і мають деякі втішні переваги перед літій-іонними батареями
Будь-яке рішення IC, описане вище, яке відповідає цим конструктивним обмеженням, повинно бути компактним і монолітним, здатним до швидкої, ефективної зарядки одноклітинних акумуляторів високої ємності і сумісним з новими хіміками, такими як літій-залізний фосфат. Такий пристрій може стати каталізатором для збільшення глобального впровадження портативних промислових і медичних виробів з акумуляторами великої місткості.
Вирішення проблем з живленням портативних пристроїв з використанням одноклітинних батарей
Хоча перераховані вище вимоги можуть здатися неможливими для задоволення монолітного ІС, погляньте на LTC4156. LTC4156 слідує популярному літієвому LTC4155 і є високопотужним, керованим I2C, високоефективним менеджером PowerPath™, ідеальним контролером та зарядним пристроєм для акумуляторів літієвого заліза (LiFePO4) для портативних застосувань з використанням одноклітинних батарей, таких як портативне медичне та промислове обладнання, резервне обладнання та програми з високою щільністю потужності, що працюють на акумуляторах. IC призначений для ефективного забезпечення до 15 Вт електроенергії від різних джерел живлення, мінімізуючи при цьому енергоспоживання та полегшуючи теплові бюджетні обмеження. Прохідна топологія LTC4156 плавно управляє розподілом енергії від двох вхідних джерел, таких як адаптер змінного струму та USB-порт, до акумуляторної літій-залізофосфатної батареї пристрою, при цьому надаючи пріоритет потужності навантаженню системи, коли вхідна потужність обмежена. Дивіться малюнок 1.
Рисунок 1: Типова схема застосування для LTC4156
Завдяки економії енергії LTC4156 дозволяє струму вихідного навантаження перевищувати струм вихідного навантаження, намальований вхідним джерелом, тим самим максимізуючи використання доступної потужності для зарядки акумулятора, не перевищуючи специфікацію вхідного живлення. Наприклад, при живленні від адаптера змінного струму 5V/2A з доступною потужністю 10 Вт регулятор комутації IC може ефективно забезпечувати понад 85% доступної потужності, забезпечувати до ~2,4А струму зарядки та заряджатися швидше . На відміну від звичайних зарядних пристроїв для перемикання акумуляторів, LTC4156 має миттєву роботу, щоб забезпечити можливість живлення, як тільки система підключена, навіть коли акумулятор глибоко розряджений. Оскільки він підтримує USBOTG (On-the-Go), він, у свою чергу, може забезпечити живлення 5 В usb-порту без будь-яких додаткових компонентів.
Автономний повнофункціональний одноклітинний зарядний пристрій LiFePO4 від LTC4156 може забезпечити до 3,5А струму заряду з 15 поточними налаштуваннями заряду, які можна вибрати користувачем. Зарядний пристрій включає автоматичну підзарядку, погане виявлення акумулятора, програмований таймер безпеки, керовану температурну кваліфіковану зарядку, програмовану індикацію /припинення заряду та програмовані переривання. LTC4156 упакований в низький профіль (0,75 мм) 28-контактний пакет 4mmx5mmQFN і гарантовано працює в діапазоні температур від -40C до 125C.
Високоефективний внутрішній комутаційний регулятор
Комутаційний регулятор LTC4156 працює як трансформатор, що дозволяє струму навантаження на VOUT перевищувати струм, намальований вхідним блоком, а можливість повністю заряджати акумулятор з наявною потужністю значно покращилася в порівнянні з типовими зарядними пристроями лінійного режиму. Попередні приклади показують, як LTC4156 може ефективно заряджатися до 3,5A, забезпечуючи більш високу швидкість зарядки. На відміну від звичайних зарядних пристроїв для перемикання акумуляторів, LTC4156 оснащений миттєвою роботою, щоб забезпечити можливість живлення в системі, як тільки вона підключена, навіть коли акумулятор мертвий або глибоко розряджений.
Рисунок 2: Ефективність LTC4156VOUT проти струму навантаження
Безпечніше для акумуляторів
Важливо стежити за безпекою акумулятора при швидкій зарядці акумулятора. Коли температура акумулятора опускається нижче 0С або піднімається вище 60С (вимірюється зовнішнім негативним температурним коефіцієнтом NTC термістор), LTC4156 автоматично припиняє заряджання. На додаток до цієї автономної функції, LTC4156 забезпечує розширений 7-бітний аналогово-цифровий перетворювач (ADC) для моніторингу температури акумулятора з роздільною здатністю ~1C (див. малюнок 3). Цей АЦП, в поєднанні з 4 доступними параметрами напруги поплавка і 15 параметрами струму заряду акумулятора, може бути використаний для створення спеціальних алгоритмів зарядки на основі температури акумулятора.
Рисунок 3: 7-бітний термістор ADC, що показує задані температурні точки LTC4156
Для багатьох портативних додатків, таких як планшетні ПК або промислові сканери штрих-кодів, достатньо керувати двома входами (наприклад, USB і адаптер змінного струму). Однак портативні конструктори пристроїв постійно шукають способи зарядки акумуляторів від будь-якого доступного джерела живлення. Подвійний вхідний мультиплексор LTC4156 автономно вибирає найбільш підходящий вхід (адаптер змінного струму або USB) на основі визначеного користувачем пріоритету (пріоритетом за замовчуванням є введення адаптера). Схема захисту від перенапруги (OVP) захищає обидва входи одночасно від пошкоджень, викликаних випадково застосованими високими або зворотними напругами. Ідеальний діодний контролер LTC4156 гарантує, що достатня потужність завжди доступна VOUT, навіть якщо вхідна потужність недостатня або відсутня. Щоб звести до мінімуму витік акумулятора, коли пристрій підключено до USB-порту в режимі призупинення, між VBUS і VOUT розміщується LDO, щоб забезпечити програмі допустимий струм призупинення USB. Щоб усунути витік акумулятора під час виробництва та продажу, функція «корабель і магазин» ще більше знижує і без того низький резервний струм акумулятора майже до нуля.
Нарешті, LTC4156 повністю сумісний з версією LTC4155 Li-Ion, що дозволяє забезпечити гнучкість і зручність хіміків акумуляторів в останню хвилину без необхідності великомасштабних перестановок.
на закінчення
Для нового портативного промислового та медичного обладнання робота дизайнера надзвичайно складна, особливо коли задіяна влада. Корпоративні функції все частіше вимагають більшої потужності і, як наслідок, більших батарей. При цьому люди потребують зручності і хочуть заряджати ці батареї будь-яким джерелом живлення. Літієві залізофосфатні батареї стають основним вибором через властиву їм безпеку, низьку напругу поплавку, більш тривалий термін служби циклу, більш низьку швидкість саморозряду і відносно невелику вагу. Але, як і будь-яка акумуляторна батарея, до літієво-залізофосфатних батарей потрібно ставитися обережно. Хоча ці тенденції в портативних джерелах живлення створили проблеми з проектуванням, LTC4156 значно полегшує ситуацію. У низьковольтних системах LTC4156 ефективно забезпечує до 3,5А струму заряду, забезпечуючи при цьому високу продуктивність і функції безпеки.
