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(da)(da)容(rong)量電池需要(yao)大(da)(da)的充電電流和高(gao)效率

   很多便攜式應用，包括工(gong)業(ye)和醫療設(she)備，都需要USB兼容充電所提供的便利(li)性(xing)

   磷酸鐵鋰(li)電(dian)池(chi)(chi)有(you)特殊(shu)充電(dian)要求，即更低的(de)浮(fu)置電(dian)壓，與(yu)鋰(li)離子電(dian)池(chi)(chi)相比有(you)一些令人欣慰的(de)優(you)勢(shi)

   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(jin)管(guan)(guan)(guan)上述要求也許(xu)看似不可能用單(dan)片IC來滿足，但是(shi)看一下LTC4156吧。LTC4156緊隨流(liu)行(xing)的(de)(de)(de)(de)、基(ji)于(yu)鋰(li)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)LTC4155而來，是(shi)一款(kuan)大(da)功(gong)率(lv)、I2C控(kong)制、高效率(lv)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)通路（PowerPath）管(guan)(guan)(guan)理器(qi)(qi)、理想(xiang)二極管(guan)(guan)(guan)控(kong)制器(qi)(qi)和磷酸鐵鋰(li)（LiFePO4）電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)，適用于(yu)采用單(dan)節(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)便攜式(shi)應用，例(li)如便攜式(shi)醫(yi)療(liao)和工(gong)業設(she)備(bei)、備(bei)份設(she)備(bei)和高功(gong)率(lv)密度電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)供電(dian)(dian)(dian)(dian)應用。該IC為從各種電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)高效率(lv)傳送高達15W的(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)而設(she)計，同時(shi)最大(da)限(xian)(xian)度地降低(di)了功(gong)耗，并減輕了熱量預算限(xian)(xian)制。LTC4156的(de)(de)(de)(de)開(kai)關(guan)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)通路拓撲無縫地管(guan)(guan)(guan)理從兩個輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)，例(li)如交流(liu)適配器(qi)(qi)和USB端口，到設(she)備(bei)的(de)(de)(de)(de)可再(zai)充電(dian)(dian)(dian)(dian)磷酸鐵鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)分配，同時(shi)當(dang)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)有限(xian)(xian)時(shi)，優先向系統負載(zai)供電(dian)(dian)(dian)(dian)。

TO SYSTEM LOAD：至系統(tong)負載(zai)

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。

高效率內部開關穩壓器(qi)

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(guan)穩壓器(qi)效率

LOAD CURRENT：負載電(dian)流

對電池而言更安全

在對電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)快速充電(dian)(dian)(dian)(dian)時，監視(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)安(an)全性是(shi)很重要的(de)(de)(de)。當電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)溫(wen)(wen)度(du)降至低于0°C或升至高于60°C時（如一個(ge)外(wai)部負溫(wen)(wen)度(du)系數(shu)的(de)(de)(de)NTC熱敏電(dian)(dian)(dian)(dian)阻所測得的(de)(de)(de)那樣），LTC4156會自動停止充電(dian)(dian)(dian)(dian)。除了這一自主性功能，LTC4156還提供(gong)一個(ge)擴展標度(du)的(de)(de)(de)7位模數(shu)轉換器(qi)（ADC），以憑借約1°C的(de)(de)(de)分辨率監視(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)溫(wen)(wen)度(du)（參見(jian)圖3）。這個(ge)ADC與4個(ge)可用的(de)(de)(de)浮置(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓設置(zhi)和(he)15個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)設置(zhi)相結合，可用來建立基(ji)于電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)溫(wen)(wen)度(du)的(de)(de)(de)定(ding)制充電(dian)(dian)(dian)(dian)算法。

Temperature：溫度

可通過一(yi)個簡單(dan)的(de)兩線I2C接口(kou)讀取NTC ADC的(de)結果，從而能(neng)對充電(dian)電(dian)流和(he)電(dian)壓(ya)設置進行調整。該通信總線允許LTC4156指示額外的(de)狀(zhuang)態信息，例如輸入電(dian)源狀(zhuang)態、充電(dian)器狀(zhuang)態和(he)故障(zhang)狀(zhuang)態。由于(yu)支持USB On-The-Go，所以無需任何附加(jia)組(zu)件，就能(neng)反過來向USB端口(kou)提供一(yi)個5V電(dian)源。

對平板(ban)電(dian)(dian)腦或工(gong)業(ye)條(tiao)碼掃(sao)描器(qi)(qi)等很多便(bian)攜式應用(yong)(yong)來說，管(guan)理兩個(ge)輸(shu)入(ru)（例如(ru)USB和交流(liu)(liu)適配(pei)器(qi)(qi)）足夠了(le)。不(bu)(bu)過，便(bian)攜式設(she)備設(she)計師一直在(zai)不(bu)(bu)斷尋(xun)求(qiu)用(yong)(yong)任何可用(yong)(yong)電(dian)(dian)源給(gei)電(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)的(de)(de)(de)方式。LTC4156的(de)(de)(de)雙輸(shu)入(ru)、優先(xian)級多工(gong)器(qi)(qi)根據用(yong)(yong)戶定義的(de)(de)(de)優先(xian)級（缺省優先(xian)級為(wei)適配(pei)器(qi)(qi)輸(shu)入(ru)），自主(zhu)地選擇最合適的(de)(de)(de)輸(shu)入(ru)（交流(liu)(liu)適配(pei)器(qi)(qi)或USB）。過壓保護（OVP）電(dian)(dian)路同(tong)時保護兩個(ge)輸(shu)入(ru)，以(yi)免(mian)受到意外加(jia)上(shang)的(de)(de)(de)高壓或反向電(dian)(dian)壓引(yin)起的(de)(de)(de)損(sun)壞。LTC4156的(de)(de)(de)理想(xiang)二極管(guan)控制(zhi)器(qi)(qi)保證，即(ji)使輸(shu)入(ru)功率不(bu)(bu)充(chong)足或不(bu)(bu)存在(zai)，也總是可以(yi)向VOUT提(ti)供充(chong)足的(de)(de)(de)功率。為(wei)了(le)在(zai)設(she)備連接到一個(ge)處于(yu)暫停(ting)模式的(de)(de)(de)USB端(duan)口時，最大限度地減(jian)少電(dian)(dian)池(chi)泄(xie)漏，在(zai)VBUS和VOUT之間放(fang)置了(le)一個(ge)LDO，以(yi)向應用(yong)(yong)提(ti)供可允許的(de)(de)(de)USB暫停(ting)電(dian)(dian)流(liu)(liu)。為(wei)了(le)消除制(zhi)造和銷售階段的(de)(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)泄(xie)漏，“裝運(yun)及貯存”特性將(jiang)已經(jing)很低的(de)(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)備用(yong)(yong)電(dian)(dian)流(liu)(liu)進一步降至幾乎為(wei)零(ling)。

最(zui)后，LTC4156與LTC4155鋰離子版本是引腳和組(zu)件(jian)完全兼容的，從而無(wu)需重新大(da)面積(ji)安排電(dian)路板，就可(ke)以(yi)靈活方(fang)便(bian)地在最(zui)后一(yi)分鐘更換不同化學(xue)組(zu)成的電(dian)池。

結論

對(dui)于新(xin)式便攜(xie)式工業(ye)和醫(yi)療設(she)備(bei)來說，設(she)計(ji)師的工作極具挑戰(zhan)性(xing)，尤其是涉(she)及(ji)功(gong)率(lv)時。企業(ye)要(yao)(yao)求(qiu)的功(gong)能越來越需要(yao)(yao)更大的功(gong)率(lv)，結果就是更大的電(dian)(dian)(dian)池(chi)。同(tong)時，人們(men)需要(yao)(yao)便利(li)性(xing)，希望可用任(ren)何電(dian)(dian)(dian)源(yuan)給(gei)這些電(dian)(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)(dian)。由(you)于固有的安全性(xing)、低(di)浮(fu)置電(dian)(dian)(dian)壓、更長的周期壽命、較(jiao)低(di)的自放電(dian)(dian)(dian)速率(lv)和相對(dui)輕的重量(liang)，磷酸(suan)鐵(tie)鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)正在成(cheng)為主(zhu)流選擇。但是像任(ren)何可再充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池(chi)一樣，磷酸(suan)鐵(tie)鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)必(bi)須小(xiao)心(xin)對(dui)待。盡管便攜(xie)式設(she)備(bei)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)領域的這些趨勢成(cheng)為了(le)設(she)計(ji)挑戰(zhan)，但是LTC4156使事情容易多了(le)。在低(di)壓系統中，LTC4156高效率(lv)地提供了(le)高達3.5A的充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流，同(tong)時提供了(le)高性(xing)能和安全功(gong)能。