Architektura zasilania wielu urządzeń przemysłowych lub medycznych jest często podobna do architektury smartfona z dużym wyświetlaczem. Zazwyczaj 3,7 V (końcowe napięcie ładowania lub "pływaka" 4,2 V) Li-Ion było używane jako główne źródło zasilania ze względu na wysoką gęstość energii na jednostkę masy (Wh / kg) i gęstość energii na jednostkę objętości (Wh / m3) . W przeszłości wiele urządzeń o dużej mocy wykorzystywało dwa akumulatory litowo-jonowe 7,4 V (napięcie pływakowe 8,4 V), aby spełnić wymagania dotyczące zasilania, ale ze względu na dostępność niedrogiego zarządzania energią 5 V, coraz więcej urządzeń ręcznych wykorzystuje architekturę niższego napięcia, co umożliwia stosowanie jednokomorowej baterii litowo-jonowej. Typowe przenośne urządzenie medyczne lub przemysłowe ma wiele funkcji i bardzo duży (jak na urządzenia przenośne) ekran wyświetlacza. Przy zasilaniu baterią 3,7 V jej pojemność musi być mierzona w tysiącach miliwatogodzin. Aby naładować tak dużą baterię w ciągu kilku godzin, wymagany jest prąd ładowania kilku amperów.
Niskie napięcie pływakowe 3,6 V akumulatorów LiFePO4 uniemożliwia stosowanie standardowego Li-Ion. Niewłaściwe ładowanie może spowodować nieodwracalne uszkodzenie tej baterii. Dokładne ładowanie napięciem pływakowym wydłuży żywotność baterii. Zalety akumulatorów LiFePO4 w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi na bazie kobaltu obejmują większą gęstość energii objętościowej i mniejszą podatność na przedwczesne awarie.
Główne ograniczenia projektowe są podsumowane w następujący sposób:
Akumulatory o dużej pojemności wymagają wysokiego prądu ładowania i wysokiej wydajności
Wiele zastosowań przenośnych, w tym sprzęt przemysłowy i medyczny, wymaga wygody ładowania zgodnego z USB
Akumulatory LiFePO4 mają specjalne wymagania dotyczące ładowania, a mianowicie niższe napięcie pływakowe i mają pewne zalety komfortu w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi
Każde omówione powyżej rozwiązanie IC, które spełnia te ograniczenia projektowe, musi być kompaktowe i monolityczne, zdolne do szybkiego, wydajnego ładowania jednoogniwowych akumulatorów o dużej pojemności i kompatybilne z nowymi substancjami chemicznymi, takimi jak fosforan litowo-żelazowy. Takie urządzenie może być katalizatorem zwiększenia globalnego przyjęcia przenośnych produktów przemysłowych i medycznych z bateriami o dużej pojemności.
Sprostanie wyzwaniom związanym z zasilaniem urządzeń przenośnych wykorzystujących baterie jednoogniwowe
Podczas gdy powyższe wymagania mogą wydawać się niemożliwe do spełnienia za pomocą monolitycznego układu scalonego, spójrz na LTC4156. LTC4156 podąża za popularnym LTC4155 opartym na litu i jest wysokowydajnym menedżerem PowerPath™ o dużej mocy, kontrolowanym przez I2C, idealnym kontrolerem i ładowarką akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych (LiFePO4) do zastosowań przenośnych wykorzystujących baterie jednoogniwowe, takie jak przenośny sprzęt medyczny i przemysłowy, sprzęt zapasowy i aplikacje zasilane bateriami o dużej gęstości mocy. Układ scalony został zaprojektowany tak, aby wydajnie dostarczać do 15 W mocy z różnych zasilaczy, jednocześnie minimalizując zużycie energii i łagodząc ograniczenia budżetowe. Topologia przelotowa LTC4156 płynnie zarządza dystrybucją zasilania z dwóch źródeł wejściowych, takich jak zasilacz sieciowy i port USB, do akumulatora litowo-żelazowo-fosforanowego urządzenia, jednocześnie nadając priorytet zasilaniu obciążenia systemu, gdy moc wejściowa jest ograniczona. Patrz Rysunek 1.
Rysunek 1: Typowy obwód aplikacji dla LTC4156
Ze względu na oszczędność energii, LTC4156 pozwala prądowi obciążenia wyjściowego przekroczyć prąd pobierany przez zasilacz wejściowy, maksymalizując w ten sposób wykorzystanie dostępnej mocy do ładowania akumulatora bez przekraczania specyfikacji zasilania wejściowego. Na przykład, gdy jest zasilany przez zasilacz sieciowy 5V / 2A o mocy dostępnej 10 W, regulator przełączający układu scalonego może skutecznie dostarczać ponad 85% dostępnej mocy, zapewniać do ~ 2,4 A prądu ładowania i ładować szybciej. W przeciwieństwie do zwykłych ładowarek przełączających, LTC4156 oferuje natychmiastową pracę, aby zapewnić dostępność zasilania zaraz po podłączeniu systemu, nawet gdy akumulator jest głęboko rozładowany. Ponieważ obsługuje USBOTG (On-the-Go), może z kolei zapewnić zasilanie 5V do portu USB bez żadnych dodatkowych komponentów.
Autonomiczna, w pełni funkcjonalna jednoogniwowa ładowarka akumulatorów LiFePO4 LTC456 może dostarczyć prąd ładowania do 3,5 A z 15 ustawieniami prądu ładowania wybieranymi przez użytkownika. Ładowarka obejmuje automatyczne ładowanie, wykrywanie złego akumulatora, programowalny zegar bezpieczeństwa, ładowanie kwalifikowane do kontrolowanej temperatury, programowalne wskazanie / zakończenie ładowania i programowalne przerwania. LTC4156 jest pakowany w niskoprofilową (0,75 mm) 28-pinową obudowę 4mmx5mmQFN i gwarantuje pracę w zakresie temperatur od -40C do 125C.
Wysokowydajny wewnętrzny regulator przełączania
Regulator przełączający LTC4156 działa jak transformator, dzięki czemu prąd obciążenia w VOUT przekracza prąd pobierany przez zasilacz wejściowy, a możliwość pełnego naładowania akumulatora z dostępną mocą jest znacznie lepsza w porównaniu z typowymi ładowarkami liniowymi. Powyższe przykłady ilustrują, w jaki sposób LTC4156 może wydajnie ładować do 3,5 A, umożliwiając szybsze ładowanie. W przeciwieństwie do zwykłych ładowarek przełączających, LTC4156 oferuje natychmiastową pracę, aby zapewnić, że zasilanie jest dostępne dla systemu zaraz po podłączeniu, nawet gdy bateria jest rozładowana lub głęboko rozładowana.
Rysunek 2: Wydajność LTC4156VOUT a prąd obciążenia
Bezpieczniejsze dla baterii
Ważne jest, aby monitorować bezpieczeństwo akumulatora podczas szybkiego ładowania akumulatora. Gdy temperatura akumulatora spadnie poniżej 0° C lub wzrośnie powyżej 60 °C (mierzona zewnętrznym ujemnym współczynnikiem temperaturowym termistora NTC), LTC4156 automatycznie zatrzymuje ładowanie. Oprócz tej autonomicznej funkcji, LTC4156 zapewnia rozszerzoną skalę 7-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) do monitorowania temperatury akumulatora z rozdzielczością ~ 1C (patrz Rysunek 3). Ten przetwornik ADC, w połączeniu z 4 dostępnymi ustawieniami napięcia pływakowego i 15 ustawieniami prądu ładowania akumulatora, może być używany do budowania niestandardowych algorytmów ładowania w oparciu o temperaturę akumulatora.
Rysunek 3: 7-bitowy przetwornik ADC termistora pokazujący zaprogramowane punkty wyzwalania temperatury LTC4156
W przypadku wielu przenośnych aplikacji, takich jak tablety czy przemysłowe skanery kodów kreskowych, wystarczy zarządzanie dwoma wejściami (np. USB i zasilaczem sieciowym). Jednak projektanci urządzeń przenośnych nieustannie szukają sposobów ładowania akumulatorów z dowolnego dostępnego źródła zasilania. Dwuwejściowy multiplekser priorytetowy LTC4156 autonomicznie wybiera najbardziej odpowiednie wejście (zasilacz sieciowy lub USB) na podstawie priorytetu zdefiniowanego przez użytkownika (domyślny priorytet to wejście adaptera). Obwód zabezpieczenia przeciwprzepięciowego (OVP) chroni oba wejścia jednocześnie przed uszkodzeniem spowodowanym przypadkowo przyłożonym wysokim lub odwrotnym napięciem. Idealny sterownik diodowy LTC4156 gwarantuje, że wystarczająca moc jest zawsze dostępna dla VOUT, nawet jeśli moc wejściowa jest niewystarczająca lub nie istnieje. Aby zminimalizować wyciek baterii, gdy urządzenie jest podłączone do portu USB w trybie wstrzymania, LDO jest umieszczane między VBUS i VOUT, aby zapewnić aplikacji dopuszczalny prąd zawieszenia USB. Aby wyeliminować wycieki baterii podczas produkcji i sprzedaży, funkcja "wyślij i przechowuj" dodatkowo zmniejsza i tak już niski prąd podtrzymujący baterię do prawie zera.
Wreszcie, LTC4156 jest w pełni kompatybilny z wersją litowo-jonową LTC4155, co pozwala na elastyczność i wygodę chemii akumulatorów w ostatniej chwili bez konieczności rearanżacji dużych powierzchni.
w podsumowaniu
W przypadku nowego przenośnego sprzętu przemysłowego i medycznego praca projektanta jest niezwykle trudna, zwłaszcza gdy w grę wchodzi zasilanie. Funkcje wymagane przez przedsiębiorstwa coraz częściej wymagają większej mocy, a co za tym idzie, większych baterii. Jednocześnie ludzie potrzebują wygody i chcą ładować te baterie dowolnym źródłem zasilania. Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe stają się głównym wyborem ze względu na ich nieodłączne bezpieczeństwo, niskie napięcie pływakowe, dłuższą żywotność cyklu, niższą szybkość samorozładowania i stosunkowo niewielką wagę. Ale jak każdy akumulator, baterie litowo-żelazowo-fosforanowe muszą być traktowane ostrożnie. Podczas gdy te trendy w przenośnych zasilaczach stworzyły wyzwania projektowe, LTC4156 znacznie ułatwia sprawę. W systemach niskiego napięcia LTC4156 skutecznie dostarcza prąd ładowania do 3,5A, zapewniając jednocześnie wysoką wydajność i funkcje bezpieczeństwa.
