患者護理領域的主要趨勢之一，是在患者家中越來越多地使用遠程監視系統。出現這種趨勢的原因很明顯，讓患者住在醫院的費用太高了，令人難以承受。因此，很多這類便攜式電子監視系統納入了RF收發器，以便數據能直接發到醫院中的監察系統中，供醫生研究和分析之用。顯然，這類系統通常由AC電源、電池或同時由二者供電。為了確保在除醫院之外的其他地點使用時，系統能連續工作，這種冗余性是必要的。此外，在便攜式醫療診斷設備領域取得了很多新的進展，例如醫生和護士到處攜帶的設備，都將電池作為主電源，或將電池作為備份電源，以防AC電源中斷。這類系統需要高效率電池充電電路。
 

   除了醫療應用，便攜式工業銀行終端、堅固耐用的平板電腦、庫存控制和條碼掃描設備等都需要單節大容量電池，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，人們一直在開發新的、基于鋰的化學陽極/陰極組合，這類組合也在不斷地推向主流市場。這種趨勢的一個例子是，磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池已在許多應用中嶄露頭角，與基于鈷的鋰離子/鋰聚合物電池相比，磷酸鐵鋰電池可提供更高的安全性和更長的電池壽命。而且這種化學組成的電池還同時具備基于鈷的鋰離子電池所具備的其他許多優勢，包括較低的自放電速率和相對較輕的重量。相比之下，除了改善安全性（因為具有抗“熱失控”能力）及延長電池循環壽命之外，磷酸鐵鋰電池具備更高的峰值功率額定值，對環境影響更小。通常醫療和工業應用愿意接受磷酸鐵鋰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的周期壽命。備份應用需要更長的周期壽命，且要能以大電流放電。
 

怎樣得到更大的功率

   很多手持式工業或醫療設備的電源架構常常與大顯示屏智能手機的電源架構類似。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，因為其單位重量能量密度（Wh/kg）和單位體積能量密度（Wh/m3）很高。過去，很多大功率設備使用兩節7.4V（8.4V浮置電壓）鋰離子電池，以滿足功率要求，但是由于價格低廉的5V電源管理IC的上市，越來越多的手持式設備采用了更低電壓的架構，這使得可以使用單節鋰離子電池。典型的便攜式醫療或工業設備具有很多功能和非常大（就便攜式設備而言）的顯示屏。當用3.7V電池供電時，其容量必須以數千毫瓦小時計。為了用幾小時給這么大容量的電池充電，就需要幾安培的充電電流。
 

   不過，即使需要這么大的充電電流，在沒有大電流交流適配器可用時，用戶依然想用USB端口給他們的大功率設備充電。為了滿足這種要求，當有交流適配器可用時，電池充電器必須能以大電流（》2A）充電，但是仍然能高效率地利用USB端口可提供的2.5W至4.5W功率。此外，該IC產品需要保護敏感的下游低壓組件，使它們免受可能由損壞導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到負載，以最大限度地減少以熱量形式損失的功率。同時，該IC必須安全地管理電池充電算法，并監視關鍵的系統參數。
 

   磷酸鐵鋰電池較低的3.6V浮動電壓導致無法使用標準的鋰離子電池充電器。如果充電不當，就有可能對這種電池造成無法修復的損壞。準確的浮動電壓充電將延長電池的壽命。與基于鈷的鋰離子電池相比，LiFePO4電池的優點包括體積能量密度（每單位體積的容量）較高，而且不容易過早地出現故障（倘若新電池過早地“深度循環”）。
 

主要設計限制總結如下：

   大容量電(dian)(dian)池(chi)需要大的充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流和高效率

   很(hen)多便(bian)攜式應用，包括(kuo)工業和醫療設(she)備，都需(xu)要USB兼容(rong)充電所(suo)提供的(de)便(bian)利性(xing)

   磷酸鐵鋰(li)電池(chi)有(you)特殊充電要(yao)求，即(ji)更低的(de)浮置電壓(ya)，與鋰(li)離(li)子電池(chi)相(xiang)比有(you)一些令人(ren)欣(xin)慰的(de)優勢

   上面討論的任何滿足這些設計限制的IC解決方案都必須是緊湊和單片型的，能應對快速、高效率給單節大容量電池充電的問題，并與磷酸鐵鋰等新的化學組成兼容。這樣的設備會成為催化劑，能提高采用大容量電池的便攜式工業和醫療產品在全球的采用率。
 

應對采用單節電池的便攜式設備的功率挑戰
 

   盡管(guan)(guan)上(shang)述要求也(ye)許看似(si)不可能用單(dan)片IC來滿足，但是看一下LTC4156吧。LTC4156緊隨流(liu)(liu)行的(de)(de)、基于鋰(li)材料的(de)(de)LTC4155而(er)來，是一款大功(gong)率、I2C控制、高(gao)效率電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)通(tong)(tong)路（PowerPath）管(guan)(guan)理器(qi)、理想二極(ji)管(guan)(guan)控制器(qi)和(he)磷酸鐵鋰(li)（LiFePO4）電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)器(qi)，適用于采用單(dan)節電(dian)(dian)池的(de)(de)便攜式應(ying)用，例(li)如(ru)便攜式醫療和(he)工業設備(bei)、備(bei)份設備(bei)和(he)高(gao)功(gong)率密度(du)電(dian)(dian)池供電(dian)(dian)應(ying)用。該IC為從各種電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)高(gao)效率傳送(song)高(gao)達15W的(de)(de)功(gong)率而(er)設計，同(tong)時最大限(xian)度(du)地降低(di)了(le)功(gong)耗(hao)，并(bing)減(jian)輕了(le)熱量預(yu)算限(xian)制。LTC4156的(de)(de)開(kai)關電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)通(tong)(tong)路拓撲(pu)無縫地管(guan)(guan)理從兩個輸入電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，例(li)如(ru)交流(liu)(liu)適配器(qi)和(he)USB端口(kou)，到設備(bei)的(de)(de)可再充(chong)電(dian)(dian)磷酸鐵鋰(li)電(dian)(dian)池的(de)(de)功(gong)率分配，同(tong)時當輸入功(gong)率有限(xian)時，優先向(xiang)系(xi)統負載(zai)供電(dian)(dian)。

TO SYSTEM LOAD：至(zhi)系統負載

由于節省功率，所以LTC4156允許輸出負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，而不會超出輸入電源供電規格。例如，當用5V/2A交流適配器供電、可用功率為10W時，該IC的開關穩壓器能高效率傳送超過85%的可用功率，提供高達~2.4A的充電電流，并能更快速地充電。與普通開關電池充電器不同，LTC4156具備即時接通工作能力，以確保甚至在電池已深度放電時，一插上插頭系統就可以供電。由于支持USB OTG（On-the-Go），所以無需任何額外的組件，就能反過來向USB端口提供一個5V電源。
 

LTC4156的自主全功能單節磷酸鐵鋰電池充電器能提供高達3.5A的充電電流，具備15種用戶可選的充電電流設置。該充電器包括自動再充電、壞電池檢測、可編程安全定時器、熱敏電阻控制的溫度合格的充電、可編程充電結束指示/終止以及可編程中斷。LTC4156采用扁平（0.75mm）28引腳4mm x 5mm QFN封裝，在-40°C至125°C的溫度范圍內工作有保證。

高(gao)效率(lv)內部(bu)開關穩(wen)壓器

LTC4156的開關穩壓器工作起來像一個變壓器，允許VOUT端的負載電流超過輸入電源吸取的電流，而且與典型線性模式電池充電器相比，充分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可以怎樣以高達3.5A的電流高效地充電，從而實現了更快的充電速度。與普通開關電池充電器不同，LTC4156具備即時接通工作能力，以確保甚至在電池沒電或已深度放電時，一插上電源就可向系統供電。
 

EFFICIENCY：效率

Switching Regulator Efficiency：開關穩壓器(qi)效(xiao)率

LOAD CURRENT：負載電流

對電池而言更安全

在對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)池快(kuai)速充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)時，監視電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)安全性是很重要的(de)。當(dang)電(dian)(dian)(dian)(dian)池溫(wen)(wen)度(du)降至低(di)于0°C或升至高于60°C時（如一個(ge)外部負溫(wen)(wen)度(du)系(xi)數(shu)的(de)NTC熱敏電(dian)(dian)(dian)(dian)阻所(suo)測得的(de)那(nei)樣(yang)），LTC4156會自動停止充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。除了這一自主性功能，LTC4156還(huan)提(ti)供一個(ge)擴展標度(du)的(de)7位模數(shu)轉換器（ADC），以憑借約(yue)1°C的(de)分辨率監視電(dian)(dian)(dian)(dian)池溫(wen)(wen)度(du)（參(can)見(jian)圖3）。這個(ge)ADC與4個(ge)可用的(de)浮置(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)設置(zhi)(zhi)和15個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流設置(zhi)(zhi)相結合，可用來建立基于電(dian)(dian)(dian)(dian)池溫(wen)(wen)度(du)的(de)定制充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)算法。

Temperature：溫度

可通過(guo)(guo)一個簡單的兩線(xian)I2C接口(kou)讀取(qu)NTC ADC的結果，從而能(neng)(neng)對充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)和(he)電(dian)(dian)(dian)壓設置進行調整。該(gai)通信總線(xian)允(yun)許LTC4156指示額外的狀態(tai)信息，例如輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)源(yuan)狀態(tai)、充電(dian)(dian)(dian)器(qi)狀態(tai)和(he)故(gu)障狀態(tai)。由(you)于支持USB On-The-Go，所以(yi)無需任何附加組件(jian)，就能(neng)(neng)反(fan)過(guo)(guo)來向USB端口(kou)提供一個5V電(dian)(dian)(dian)源(yuan)。

對平板電(dian)腦(nao)或(huo)(huo)工業條碼掃描(miao)器(qi)(qi)等(deng)很多(duo)便(bian)攜(xie)式(shi)應(ying)用(yong)來說，管(guan)(guan)理(li)(li)兩個(ge)輸(shu)(shu)入(ru)(ru)（例(li)如(ru)USB和(he)交(jiao)流適(shi)配器(qi)(qi)）足(zu)(zu)夠了(le)。不(bu)過，便(bian)攜(xie)式(shi)設備設計師一(yi)直在不(bu)斷尋求用(yong)任何可用(yong)電(dian)源給電(dian)池(chi)(chi)充(chong)電(dian)的(de)方(fang)式(shi)。LTC4156的(de)雙(shuang)輸(shu)(shu)入(ru)(ru)、優先(xian)級(ji)多(duo)工器(qi)(qi)根據用(yong)戶定(ding)義(yi)的(de)優先(xian)級(ji)（缺省(sheng)優先(xian)級(ji)為(wei)(wei)適(shi)配器(qi)(qi)輸(shu)(shu)入(ru)(ru)），自(zi)主地選擇最合(he)適(shi)的(de)輸(shu)(shu)入(ru)(ru)（交(jiao)流適(shi)配器(qi)(qi)或(huo)(huo)USB）。過壓保護（OVP）電(dian)路同時(shi)保護兩個(ge)輸(shu)(shu)入(ru)(ru)，以免(mian)受到意外加上的(de)高壓或(huo)(huo)反向(xiang)電(dian)壓引(yin)起的(de)損壞。LTC4156的(de)理(li)(li)想二極(ji)管(guan)(guan)控制器(qi)(qi)保證(zheng)，即使輸(shu)(shu)入(ru)(ru)功(gong)率不(bu)充(chong)足(zu)(zu)或(huo)(huo)不(bu)存在，也(ye)總是可以向(xiang)VOUT提(ti)供充(chong)足(zu)(zu)的(de)功(gong)率。為(wei)(wei)了(le)在設備連接到一(yi)個(ge)處于暫停模式(shi)的(de)USB端口時(shi)，最大限度地減(jian)少電(dian)池(chi)(chi)泄漏，在VBUS和(he)VOUT之(zhi)間放置(zhi)了(le)一(yi)個(ge)LDO，以向(xiang)應(ying)用(yong)提(ti)供可允許的(de)USB暫停電(dian)流。為(wei)(wei)了(le)消除制造和(he)銷(xiao)售(shou)階段的(de)電(dian)池(chi)(chi)泄漏，“裝(zhuang)運及貯存”特性將(jiang)已經很低的(de)電(dian)池(chi)(chi)備用(yong)電(dian)流進(jin)一(yi)步降至幾(ji)乎為(wei)(wei)零。

最后(hou)，LTC4156與LTC4155鋰(li)離子版本(ben)是引腳和組件完全兼容的，從而無需(xu)重(zhong)新大面積安排電(dian)路板，就可以(yi)靈活方便地在最后(hou)一(yi)分鐘更換(huan)不同化學(xue)組成(cheng)的電(dian)池。

結論

對于(yu)新式(shi)便攜式(shi)工業和(he)醫療(liao)設(she)備(bei)來(lai)說，設(she)計(ji)師的(de)工作極具挑戰性(xing)，尤其是(shi)涉及功(gong)(gong)率(lv)時(shi)(shi)(shi)。企業要(yao)求的(de)功(gong)(gong)能越來(lai)越需(xu)要(yao)更大(da)的(de)功(gong)(gong)率(lv)，結果(guo)就是(shi)更大(da)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)。同時(shi)(shi)(shi)，人們需(xu)要(yao)便利性(xing)，希望可用任(ren)何(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)給這(zhe)些(xie)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)(dian)(dian)。由于(yu)固有的(de)安(an)(an)全(quan)(quan)性(xing)、低(di)浮置電(dian)(dian)(dian)(dian)壓、更長的(de)周期壽(shou)命、較低(di)的(de)自(zi)放電(dian)(dian)(dian)(dian)速率(lv)和(he)相對輕的(de)重量，磷(lin)酸(suan)(suan)鐵(tie)(tie)鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)正在成為(wei)主流(liu)選擇。但(dan)是(shi)像任(ren)何(he)可再充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)一樣，磷(lin)酸(suan)(suan)鐵(tie)(tie)鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)必須小(xiao)心對待。盡管便攜式(shi)設(she)備(bei)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)領域的(de)這(zhe)些(xie)趨勢成為(wei)了設(she)計(ji)挑戰，但(dan)是(shi)LTC4156使事情(qing)容易多了。在低(di)壓系(xi)統中，LTC4156高(gao)效率(lv)地提(ti)供(gong)了高(gao)達3.5A的(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，同時(shi)(shi)(shi)提(ti)供(gong)了高(gao)性(xing)能和(he)安(an)(an)全(quan)(quan)功(gong)(gong)能。