สถาปัตยกรรมพลังงานของอุปกรณ์อุตสาหกรรมหรือทางการแพทย์จำนวนมากมักคล้ายกับ-สมาร์ทโฟนจอแสดงผลขนาดใหญ่ โดยปกติ 3.7V (ประจุสุดท้ายหรือแรงดัน "ลอย" ที่ 4.2V) Li-มีการใช้ไอออนเป็นแหล่งพลังงานหลักเนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูงต่อหน่วยน้ำหนัก (Wh/kg) และความหนาแน่นของพลังงานต่อหน่วย ปริมาณ (Wh/m3) . ในอดีต อุปกรณ์ไฟฟ้าสูง-จำนวนมากใช้แบตเตอรี่ Li-Ion 7.4V (8.4V float) จำนวน 2 ก้อนเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านพลังงาน แต่เนื่องจากการจัดการพลังงาน 5V ราคาไม่แพงจึงมีมากขึ้นเรื่อยๆ อุปกรณ์พกพาใช้สถาปัตยกรรมแรงดันไฟฟ้าต่ำ ซึ่งทำให้สามารถใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน-เซลล์ Li-ไอออนได้เพียงก้อนเดียว อุปกรณ์ทางการแพทย์หรืออุตสาหกรรมแบบพกพาทั่วไปมีฟังก์ชันมากมายและหน้าจอแสดงผลขนาดใหญ่มาก (สำหรับอุปกรณ์พกพา) เมื่อใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ 3.7V จะต้องวัดความจุของแบตเตอรี่เป็นพันมิลลิวัตต์ชั่วโมง ในการชาร์จแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง จำเป็นต้องมีกระแสไฟชาร์จหลายแอมป์
แรงดันไฟลอยต่ำ 3.6V ของแบตเตอรี่ LiFePO4 ป้องกันการใช้ Li-Ion มาตรฐาน การชาร์จที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้เกิดความเสียหายต่อแบตเตอรี่นี้ที่ไม่สามารถแก้ไขได้ การชาร์จแรงดันไฟแบบลูกลอยที่แม่นยำจะช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ ข้อดีของแบตเตอรี่ LiFePO4 เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเทียมโคบอลต์-ลิเธียม-ไอออนรวมถึงความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรที่สูงขึ้นและแนวโน้มที่จะเกิดความล้มเหลวก่อนวัยอันควรน้อยกว่า
ข้อจำกัดในการออกแบบหลักสรุปได้ดังนี้:
แบตเตอรี่ความจุสูง-ต้องการกระแสไฟชาร์จสูงและประสิทธิภาพสูง
แอปพลิเคชันแบบพกพาจำนวนมาก รวมทั้งอุปกรณ์อุตสาหกรรมและการแพทย์ ต้องการความสะดวกของ USB-การชาร์จที่เข้ากันได้
แบตเตอรี่ LiFePO4 มีข้อกำหนดในการชาร์จเป็นพิเศษ กล่าวคือ แรงดันไฟลอยต่ำ และมีข้อดีที่สบายกว่าแบตเตอรี่ Li-Ion
โซลูชัน IC ใดๆ ที่กล่าวถึงข้างต้นซึ่งตรงตามข้อจำกัดการออกแบบเหล่านี้จะต้องมีขนาดกะทัดรัดและเสาหิน สามารถชาร์จแบตเตอรี่ความจุสูง-เซลล์เดียว-ได้เร็วและมีประสิทธิภาพ และเข้ากันได้กับเคมีใหม่ เช่น ลิเธียม ไอรอน ฟอสเฟต อุปกรณ์ดังกล่าวอาจเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการเพิ่มการนำผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมและการแพทย์แบบพกพามาใช้ทั่วโลกด้วย-แบตเตอรี่ความจุสูง
จัดการกับความท้าทายด้านพลังงานของอุปกรณ์พกพาโดยใช้แบตเตอรี่เซลล์เดียว
แม้ว่าข้อกำหนดข้างต้นอาจดูเหมือนเป็นไปไม่ได้ที่จะพบกับ IC แบบเสาหิน ให้ดูที่ LTC4156 LTC4156 นั้นใช้ตาม LTC4155 ที่ใช้ลิเธียม-ซึ่งเป็นที่นิยมและมี-กำลังสูง-ที่มีการควบคุม-ประสิทธิภาพสูง-เครื่องมือจัดการ PowerPath™ ตัวควบคุมในอุดมคติและลิเธียมไอรอนฟอสเฟต ( เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ LiFePO4) สำหรับการใช้งานแบบพกพาโดยใช้แบตเตอรี่เซลล์เดียว-เซลล์ เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์และอุตสาหกรรมแบบพกพา อุปกรณ์สำรอง และแบตเตอรี่ความหนาแน่นพลังงานสูง-ที่ใช้พลังงานสูง-แอปพลิเคชันที่ใช้พลังงาน IC ได้รับการออกแบบให้ส่งพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด 15W จากแหล่งจ่ายไฟที่หลากหลาย ในขณะที่ลดการใช้พลังงานและบรรเทาข้อจำกัดด้านงบประมาณด้านความร้อน การส่งผ่านของ LTC4156-ผ่านโทโพโลยีจัดการการจ่ายพลังงานอย่างราบรื่นจากแหล่งอินพุตสองแหล่ง เช่น อะแดปเตอร์ AC และพอร์ต USB ไปยังแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตแบบชาร์จซ้ำได้ของอุปกรณ์ ในขณะที่จัดลำดับความสำคัญของพลังงานให้กับโหลดของระบบเมื่อกำลังไฟฟ้าเข้ามีจำกัด ดูรูปที่ 1
รูปที่ 1: วงจรแอปพลิเคชันทั่วไปสำหรับ LTC4156
เนื่องจากการประหยัดพลังงาน LTC4156 ยอมให้กระแสโหลดเอาท์พุตเกินกระแสที่ดึงมาจากแหล่งจ่ายเข้า จึงเป็นการเพิ่มการใช้พลังงานที่มีอยู่ให้สูงสุดเพื่อชาร์จแบตเตอรี่โดยไม่เกินข้อกำหนดของแหล่งจ่ายไฟอินพุต ตัวอย่างเช่น เมื่อขับเคลื่อนโดยอะแดปเตอร์ AC 5V/2A ที่มีกำลังไฟ 10W ตัวควบคุมการสลับของ IC สามารถส่งพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า 85 เปอร์เซ็นต์ จ่ายกระแสไฟสูงสุด ~ 2.4A และชาร์จเร็วขึ้น LTC4156 แตกต่างจากเครื่องชาร์จแบตเตอรี่แบบสวิตช์ทั่วไปตรงที่มีการทำงานทันที-เพื่อให้แน่ใจว่ามีไฟใช้งานได้ทันทีที่เสียบปลั๊กระบบ แม้ว่าแบตเตอรี่จะคายประจุจนหมด เนื่องจากรองรับ USBOTG (เปิด--Go) จึงสามารถจ่ายไฟ 5V ให้กับพอร์ต USB โดยไม่ต้องใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติม
เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ LiFePO4 เซลล์เดียวแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ-คุณลักษณะ-เซลล์ LiFePO4 ของ LTC4156 สามารถจ่ายกระแสไฟได้ถึง 3.5A โดยผู้ใช้ 15 คน-การตั้งค่ากระแสไฟที่เลือกได้ เครื่องชาร์จประกอบด้วยการชาร์จอัตโนมัติ การตรวจจับแบตเตอรี่ไม่ดี ตัวจับเวลาความปลอดภัยที่ตั้งโปรแกรมได้ การชาร์จที่มีคุณสมบัติตามอุณหภูมิที่ควบคุมอุณหภูมิ จุดสิ้นสุดที่ตั้งโปรแกรมได้-ของ-การชาร์จ/การยุติการชาร์จ และการขัดจังหวะที่ตั้งโปรแกรมได้ LTC4156 บรรจุในแพ็คเกจขนาดต่ำ (0.75 มม.) 4 มม. x 5 มม.QFN ขนาด 28 พิน และรับประกันว่าจะทำงานในช่วงอุณหภูมิ -40C ถึง 125C
ตัวควบคุมการสลับภายในที่มีประสิทธิภาพสูง
ตัวควบคุมการสลับของ LTC4156 ทำงานเหมือนหม้อแปลงไฟฟ้า ทำให้กระแสโหลดที่ VOUT เกินกระแสที่ดึงมาจากแหล่งจ่ายอินพุต และความสามารถในการชาร์จแบตเตอรี่จนเต็มด้วยพลังงานที่มีอยู่นั้นดีขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับเครื่องชาร์จโหมดเชิงเส้นทั่วไป ตัวอย่างก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่า LTC4156 สามารถชาร์จได้ถึง 3.5A อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งช่วยให้ชาร์จเร็วขึ้นได้อย่างไร LTC4156 แตกต่างจากเครื่องชาร์จแบตเตอรี่แบบสวิตชิ่งทั่วไปตรงที่มีการทำงาน-ในทันทีเพื่อให้แน่ใจว่ามีพลังงานอยู่ในระบบทันทีที่เสียบปลั๊ก แม้ว่าแบตเตอรี่จะหมดหรือคายประจุจนหมด
รูปที่ 2: ประสิทธิภาพ LTC4156VOUT เทียบกับกระแสโหลด
ปลอดภัยสำหรับแบตเตอรี่
การตรวจสอบความปลอดภัยของแบตเตอรี่เป็นสิ่งสำคัญเมื่อชาร์จแบตเตอรี่อย่างรวดเร็ว เมื่ออุณหภูมิแบตเตอรี่ลดลงต่ำกว่า 0C หรือสูงกว่า 60C (ตามที่วัดโดยเทอร์มิสเตอร์เทอร์มิสเตอร์ NTC ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบภายนอก) LTC4156 จะหยุดชาร์จโดยอัตโนมัติ นอกเหนือจากคุณสมบัติการทำงานอัตโนมัตินี้แล้ว LTC4156 ยังให้-ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกขนาด 7-บิต-บิตขยาย-แปลงเป็นดิจิทัล (ADC) เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิแบตเตอรี่ด้วยความละเอียด ~1C (ดูรูปที่ 3 ). สามารถใช้ ADC นี้ร่วมกับการตั้งค่าแรงดันไฟแบบลอยตัว 4 แบบและการตั้งค่ากระแสไฟแบตเตอรี่ 15 แบบเพื่อสร้างอัลกอริธึมการชาร์จแบบกำหนดเองตามอุณหภูมิของแบตเตอรี่
รูปที่ 3: ADC เทอร์มิสเตอร์ 7 บิตแสดงจุดการเดินทางอุณหภูมิ LTC4156 ที่ตั้งไว้ล่วงหน้า
สำหรับการใช้งานแบบพกพาจำนวนมาก เช่น แท็บเล็ตพีซีหรือเครื่องสแกนบาร์โค้ดอุตสาหกรรม การจัดการอินพุตสองอินพุต (เช่น อะแดปเตอร์ USB และ AC) ก็เพียงพอแล้ว อย่างไรก็ตาม นักออกแบบอุปกรณ์พกพากำลังมองหาวิธีชาร์จแบตเตอรี่จากแหล่งพลังงานที่มีอยู่อย่างต่อเนื่อง มัลติเพล็กเซอร์ลำดับความสำคัญ-อินพุตคู่ของ LTC4156 จะเลือกอินพุตที่เหมาะสมที่สุดโดยอัตโนมัติ (อะแดปเตอร์ AC หรือ USB) ตามลำดับความสำคัญที่กำหนดโดยผู้ใช้- (ลำดับความสำคัญเริ่มต้นคืออินพุตอะแดปเตอร์) วงจรป้องกันแรงดันไฟเกิน (OVP) ปกป้องอินพุตทั้งสองพร้อมกันจากความเสียหายที่เกิดจากแรงดันไฟฟ้าสูงหรือแรงดันย้อนกลับโดยไม่ได้ตั้งใจ ตัวควบคุมไดโอดในอุดมคติของ LTC4156 รับประกันว่า VOUT จะมีพลังงานเพียงพอเสมอ แม้ว่ากำลังไฟฟ้าเข้าไม่เพียงพอหรือไม่มี-มีอยู่จริง เพื่อลดการรั่วไหลของแบตเตอรี่เมื่ออุปกรณ์เชื่อมต่อกับพอร์ต USB ในโหมดระงับการทำงาน จะมีการวาง LDO ระหว่าง VBUS และ VOUT เพื่อให้แอปพลิเคชันมีกระแสไฟระงับ USB ที่อนุญาต เพื่อขจัดการรั่วไหลของแบตเตอรี่ระหว่างการผลิตและการขาย คุณลักษณะ "จัดส่งและจัดเก็บ" จะลดกระแสไฟสำรองของแบตเตอรี่ที่ต่ำอยู่แล้วให้เหลือเกือบเป็นศูนย์
สุดท้าย LTC4156 ได้รับการติดตั้งอย่างแน่นหนา-และส่วนประกอบ-ที่เข้ากันได้กับรุ่น LTC4155 Li-Ion ซึ่งช่วยให้มีความยืดหยุ่นและความสะดวกในระยะเวลานาน-สารเคมีในแบตเตอรี่โดยไม่ต้องใช้ ต้องการ-การจัดเรียงพื้นที่ขนาดใหญ่
สรุปแล้ว
สำหรับอุปกรณ์อุตสาหกรรมและการแพทย์แบบพกพาใหม่ งานของนักออกแบบเป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างยิ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีพลังงานเข้ามาเกี่ยวข้อง องค์กร-ที่ขอฟังก์ชันต่างๆ จำเป็นต้องใช้พลังงานมากขึ้น ส่งผลให้แบตเตอรี่มีขนาดใหญ่ขึ้น ในขณะเดียวกัน ผู้คนก็ต้องการความสะดวกสบายและต้องการชาร์จแบตเตอรี่เหล่านี้ด้วยแหล่งพลังงานใดๆ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตกำลังกลายเป็นตัวเลือกหลักเนื่องจากความปลอดภัยโดยธรรมชาติ แรงดันไฟลอยต่ำ อายุการใช้งานยาวนานขึ้น อัตราการคายประจุเอง-ที่ลดลง และน้ำหนักเบา แต่เช่นเดียวกับแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตต้องได้รับการดูแลเป็นอย่างดี แม้ว่าแนวโน้มของอุปกรณ์จ่ายไฟแบบพกพาเหล่านี้จะสร้างความท้าทายด้านการออกแบบ แต่ LTC4156 ทำให้สิ่งต่างๆ ง่ายขึ้นมาก ในระบบแรงดันไฟต่ำ LTC4156 สามารถจ่ายกระแสไฟได้ถึง 3.5A อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่ให้ประสิทธิภาพการทำงานสูงและคุณสมบัติด้านความปลอดภัย
