Strømarkitekturen i mange industrielle eller medicinske enheder ligner ofte en smartphone med stor skærm. Typisk er 3,7V (endelig ladning eller "float" spænding på 4,2V) Li-Ion blevet brugt som hovedstrømkilde på grund af dens høje energitæthed pr. Vægtenhed (Wh / kg) og energitæthed pr. Volumenenhed (Wh / m3). Tidligere brugte mange enheder med høj effekt to 7.4V (8.4V flydespænding) Li-Ion-batterier til at opfylde strømkravene, men på grund af tilgængeligheden af billig 5V strømstyring bruger flere og flere håndholdte enheder arkitektur med lavere spænding, hvilket gør det muligt at bruge et enkeltcellet Li-Ion-batteri. En typisk bærbar medicinsk eller industriel enhed har mange funktioner og en meget stor (til bærbare enheder) skærm. Når det drives af et 3.7V batteri, skal dets kapacitet måles i tusinder af milliwatttimer. For at oplade et så stort batteri på få timer kræves en ladestrøm på flere forstærkere.
Den lave 3.6V flydespænding på LiFePO4-batterier forhindrer brugen af standard Li-Ion. Forkert opladning kan forårsage uoprettelig skade på dette batteri. Nøjagtig float spændingsopladning forlænger batteriets levetid. Fordelene ved LiFePO4-batterier sammenlignet med koboltbaserede lithium-ion-batterier inkluderer højere volumetrisk energitæthed og mindre tilbøjelige til for tidlig svigt.
De vigtigste designbegrænsninger opsummeres som følger:
Batterier med høj kapacitet kræver høj ladestrøm og høj effektivitet
Mange bærbare applikationer, herunder industrielt og medicinsk udstyr, kræver bekvemmeligheden ved USB-kompatibel opladning
LiFePO4-batterier har særlige opladningskrav, nemlig lavere flydespænding, og har nogle trøstende fordele i forhold til Li-Ion-batterier
Enhver IC-løsning, der er diskuteret ovenfor, der opfylder disse designbegrænsninger, skal være kompakt og monolitisk, i stand til hurtig, effektiv opladning af enkeltcellebatterier med høj kapacitet og kompatibel med nye kemikalier såsom lithiumjernphosphat. En sådan anordning kan være en katalysator for at øge den globale vedtagelse af bærbare industrielle og medicinske produkter med batterier med høj kapacitet.
Håndtering af strømudfordringerne ved bærbare enheder ved hjælp af enkeltcellebatterier
Mens ovenstående krav kan virke umulige at opfylde med en monolitisk IC, skal du kigge på LTC4156. LTC4156 følger den populære lithiumbaserede LTC4155 og er en højeffekt, I2C-styret, højeffektiv PowerPath-manager™, ideel controller og lithiumjernfosfat (LiFePO4) batterioplader til bærbare applikationer ved hjælp af enkeltcellebatterier, såsom bærbart medicinsk og industrielt udstyr, backupudstyr og batteridrevne applikationer med høj effekttæthed. IC er designet til effektivt at levere op til 15W strøm fra en række strømforsyninger, samtidig med at strømforbruget minimeres og de termiske budgetbegrænsninger lettes. LTC4156's gennemgangstopologi styrer problemfrit strømfordelingen fra to indgangskilder, såsom vekselstrømsadapteren og USB-porten, til enhedens genopladelige lithiumjernfosfatbatteri, mens den prioriterer strøm til systembelastningen, når indgangseffekten er begrænset. Se figur 1.
Figur 1: Typisk applikationskredsløb til LTC4156
På grund af strømbesparelserne tillader LTC4156, at udgangsbelastningsstrømmen overstiger den strøm, der trækkes af indgangsforsyningen, hvorved brugen af tilgængelig strøm til at oplade batteriet maksimeres uden at overskride indgangsforsyningsforsyningsspecifikationen. For eksempel, når den drives af en 5V / 2A AC-adapter med 10W tilgængelig strøm, kan IC's koblingsregulator effektivt levere over 85% af den tilgængelige strøm, give op til ~ 2.4A ladestrøm og oplade hurtigere. I modsætning til almindelige skiftende batteriopladere har LTC4156 øjeblikkelig drift for at sikre, at strømmen er tilgængelig, så snart systemet er tilsluttet, selv når batteriet er dybt afladet. Da den understøtter USBOTG (On-the-Go), kan den igen levere en 5V strømforsyning til USB-porten uden yderligere komponenter.
LTC4156's autonome fuldt udstyret enkeltcellede LiFePO4-batterioplader kan levere op til 3,5A ladestrøm med 15 brugervalgbare opladningsstrømindstillinger. Opladeren inkluderer automatisk genopladning, dårlig batteridetektion, programmerbar sikkerhedstimer, kontrolleret temperaturkvalificeret opladning, programmerbar indikation / afslutning af slutningen af opladningen og programmerbare afbrydelser. LTC4156 er pakket i en lavprofil (0,75 mm) 28-bens 4mmx5mmQFN-pakke og er garanteret at fungere over temperaturområdet -40C til 125C.
Højeffektiv intern koblingsregulator
LTC4156's koblingsregulator fungerer som en transformer, hvilket gør det muligt for belastningsstrømmen ved VOUT at overstige den strøm, der trækkes af indgangsforsyningen, og evnen til fuldt ud at oplade batteriet med den tilgængelige effekt forbedres kraftigt sammenlignet med typiske lineære opladere. De foregående eksempler illustrerer, hvordan LTC4156 effektivt kan oplade op til 3,5A, hvilket muliggør hurtigere opladningshastigheder. I modsætning til almindelige skiftende batteriopladere har LTC4156 øjeblikkelig drift for at sikre, at der er strøm til rådighed for systemet, så snart det er tilsluttet, selv når batteriet er dødt eller dybt afladet.
Figur 2: LTC4156VOUT-effektivitet vs. belastningsstrøm
Sikrere for batterier
Det er vigtigt at overvåge batteriets sikkerhed, når batteriet hurtigt oplades. Når batteritemperaturen falder til under 0C eller stiger til over 60C (målt ved en ekstern negativ temperaturkoefficient NTC-termistor), stopper LTC4156 automatisk opladningen. Ud over denne autonome funktion giver LTC4156 en udvidet skala 7-bit analog-til-digital konverter (ADC) til overvågning af batteritemperatur med ~ 1C opløsning (se figur 3). Denne ADC kombineret med de 4 tilgængelige flydespændingsindstillinger og 15 batteriopladningsstrømindstillinger kan bruges til at opbygge brugerdefinerede opladningsalgoritmer baseret på batteritemperaturen.
Figur 3: 7-bit termistor ADC, der viser forudindstillede LTC4156 temperaturturpunkter
For mange bærbare applikationer såsom tablet-pc'er eller industrielle stregkodescannere er det tilstrækkeligt at administrere to indgange (f.eks. USB- og AC-adapter). Imidlertid er designere af bærbare enheder konstant på udkig efter måder at oplade batterier fra enhver tilgængelig strømkilde. LTC4156's dual-input, priority multiplexer vælger autonomt den mest passende indgang (AC-adapter eller USB) baseret på en brugerdefineret prioritet (standardprioritet er adapterindgang). Et OVP-kredsløb (overspændingsbeskyttelse) beskytter begge indgange samtidigt mod skader forårsaget af ved et uheld påført høje eller omvendte spændinger. Den ideelle diodecontroller på LTC4156 garanterer, at der altid er tilstrækkelig strøm til rådighed til VOUT, selvom indgangseffekten er utilstrækkelig eller ikke-eksisterende. For at minimere batterilækage, når enheden er tilsluttet en USB-port i suspenderingstilstand, placeres en LDO mellem VBUS og VOUT for at give applikationen tilladt USB-ophængningsstrøm. For at eliminere batterilækage under fremstilling og salg reducerer funktionen "send og butik" yderligere den allerede lave batteribackupstrøm til næsten nul.
Endelig er LTC4156 fuldt pin- og komponentkompatibel med LTC4155 Li-Ion-versionen, hvilket giver mulighed for fleksibilitet og bekvemmelighed ved batterikemikalier i sidste øjeblik uden behov for omlægninger af store områder.
afslutningsvis
For nyt bærbart industrielt og medicinsk udstyr er designerens job ekstremt udfordrende, især når der er strøm involveret. Virksomhedsanmodede funktioner kræver i stigende grad mere strøm og som følge heraf større batterier. Samtidig har folk brug for bekvemmelighed og ønsker at oplade disse batterier med enhver strømkilde. Lithiumjernfosfatbatterier bliver det almindelige valg på grund af deres iboende sikkerhed, lav flydespænding, længere cykluslevetid, lavere selvafladningshastighed og relativt let vægt. Men som ethvert genopladeligt batteri skal lithiumjernfosfatbatterier behandles med omhu. Mens disse tendenser inden for bærbare strømforsyninger har skabt designudfordringer, gør LTC4156 tingene meget lettere. I lavspændingssystemer leverer LTC4156 effektivt op til 3,5A ladestrøm, samtidig med at den leverer høj ydeevne og sikkerhedsfunktioner.
