患者護理領(lǐng)域的主要趨勢之一，是在患者家中越來(lái)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(lèi)便攜式電子監視系統納入了RF收發(fā)器，以便數據能直接發(fā)到醫院中的監察系統中，供醫生研究和分析之用。顯然，這類(lèi)系統通常由AC電源、電池或同時(shí)由二者供電。為了確保在除醫院之外的其他地點(diǎn)使用時(shí)，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(lǐng)域取得了很多新的進(jìn)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(lèi)系統需要高效率電池充電電路。
除了醫療應用，便攜式工業(yè)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�；�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(lèi)電池充電，卻不是非微不足道的事情。此外，人們一直在開(kāi)發(fā)新的、基于鋰的化學(xué)陽(yáng)極/陰極組合，這類(lèi)組合也在不斷地推向主流市場(chǎng)。這種趨勢的一個(gè)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(cháng)的電池壽命。而且這種化學(xué)組成的電池還同時(shí)具備基于鈷的鋰離子電池所具備的其他許多優(yōu)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(cháng)電池循環(huán)壽命之外，磷酸鐵鋰電池具備更高的峰值功率額定值，對環(huán)境影響更小。通常醫療和工業(yè)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(cháng)的周期壽命。備份應用需要更長(cháng)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(yè)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(lèi)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(guò)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(mǎn)足功率要求，但是由于價(jià)格低廉的5V電源管理IC的上市，越來(lái)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(yè)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(shí)，其容量必須以數千毫瓦小時(shí)計。為了用幾小時(shí)給這么大容量的電池充電，就需要幾安培的充電電流。
不過(guò)，即使需要這么大的充電電流，在沒(méi)有大電流交流適配器可用時(shí)，用戶(hù)依然想用USB端口給他們的大功率設備充電。為了滿(mǎn)足這種要求，當有交流適配器可用時(shí)，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(chǎn)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(guò)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(shí)，該IC必須安全地管理電池充電算法，并監視關(guān)鍵的系統參數。
磷酸鐵鋰電池較低的3.6V浮動(dòng)電壓導致無(wú)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(wú)法修復的損壞。準確的浮動(dòng)電壓充電將延長(cháng)電池的壽命。與基于鈷的鋰離子電池相比，LiFePO4電池的優(yōu)點(diǎn)包括體積能量密度（每單位體積的容量）較高，而且不容易過(guò)早地出現故障（倘若新電池過(guò)早地“深度循環(huán)”）。

主要設計限制總結如下：
。大容量電池需要大的充電電流和高效率
。很多便攜式應用，包括工業(yè)和醫療設備，都需要USB兼容充電所提供的便利性
。磷酸鐵鋰電池有特殊充電要求，即更低的浮置電壓，與鋰離子電池相比有一些令人欣慰的優(yōu)勢
上面討論的任何滿(mǎn)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(wèn)題，并與磷酸鐵鋰等新的化學(xué)組成兼容。這樣的設備會(huì )成為催化劑，能提高采用大容量電池的便攜式工業(yè)和醫療產(chǎn)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
盡管上述要求也許看似不可能用單片IC來(lái)滿(mǎn)足，但是看一下LTC4156吧。LTC4156緊隨流行的、基于鋰材料的LTC4155而來(lái)，是一款大功率、I2C控制、高效率電源通路（PowerPath）管理器、理想二極管控制器和磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池充電器，適用于采用單節電池的便攜式應用，例如便攜式醫療和工業(yè)設備、備份設備和高功率密度電池供電應用。該IC為從各種電源高效率傳送高達15W的功率而設計，同時(shí)最大限度地降低了功耗，并減輕了熱量預算限制。LTC4156的開(kāi)關(guān)電源通路拓撲無(wú)縫地管理從兩個(gè)輸入電源，例如交流適配器和USB端口，到設備的可再充電磷酸鐵鋰電池的功率分配，同時(shí)當輸入功率有限時(shí)，優(yōu)先向系統負載供電。參見(jiàn)圖1.


圖1：LTC4156的典型應用電路

TO SYSTEM LOAD：至系統負載
由于節省功率，所以L(fǎng)TC4156允許輸出負載電流超過(guò)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(huì )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(shí)，該IC的開(kāi)關(guān)穩壓器能高效率傳送超過(guò)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(kāi)關(guān)電池充電器不同，LTC4156具備即時(shí)接通工作能力，以確保甚至在電池已深度放電時(shí)，一插上插頭系統就可以供電。由于支持USB OTG（On-the-Go），所以無(wú)需任何額外的組件，就能反過(guò)來(lái)向USB端口提供一個(gè)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(hù)可選的充電電流設置。該充電器包括自動(dòng)再充電、壞電池檢測、可編程安全定時(shí)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(kāi)關(guān)穩壓器
LTC4156的開(kāi)關(guān)穩壓器工作起來(lái)像一個(gè)變壓器，允許VOUT端的負載電流超過(guò)輸入電源吸取的電流，而且與典型線(xiàn)性模式充電器相比，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(shuō)明，LTC4156可以怎樣以高達3.5A的電流高效地充電，從而實(shí)現了更快的充電速度。與普通開(kāi)關(guān)電池充電器不同，LTC4156具備即時(shí)接通工作能力，以確保甚至在電池沒(méi)電或已深度放電時(shí)，一插上電源就可向系統供電。

圖2：LTC4156 VOUT效率隨負載電流變化的曲線(xiàn)

EFFICIENCY：效率
Switching Regulator Efficiency：開(kāi)關(guān)穩壓器效率
LOAD CURRENT：負載電流

對電池而言更安全
在對電池快速充電時(shí)，監視電池的安全性是很重要的。當電池溫度降至低于0°C或升至高于60°C時(shí)（如一個(gè)外部負溫度系數的NTC熱敏電阻所測得的那樣），LTC4156會(huì )自動(dòng)停止充電。除了這一自主性功能，LTC4156還提供一個(gè)擴展標度的7位模數轉換器（ADC），以憑借約1°C的分辨率監視電池溫度（參見(jiàn)圖3）。這個(gè)ADC與4個(gè)可用的浮置電壓設置和15個(gè)電池充電電流設置相結合，可用來(lái)建立基于電池溫度的定制充電算法。

圖3：7位熱敏電阻ADC顯示預置的LTC4156溫度跳變點(diǎn)

Temperature：溫度

ADC Code：ADC代碼
可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的兩線(xiàn)I2C接口讀取NTC ADC的結果，從而能對充電電流和電壓設置進(jìn)行調整。該通信總線(xiàn)允許LTC4156指示額外的狀態(tài)信息，例如輸入電源狀態(tài)、充電器狀態(tài)和故障狀態(tài)。由于支持USB On-The-Go，所以無(wú)需任何附加組件，就能反過(guò)來(lái)向USB端口提供一個(gè)5V電源。
對平板電腦或工業(yè)條碼掃描器等很多便攜式應用來(lái)說(shuō)，管理兩個(gè)輸入（例如USB和交流適配器）足夠了。不過(guò)，便攜式設備設計師一直在不斷尋求用任何可用電源給電池充電的方式。LTC4156的雙輸入、優(yōu)先級多工器根據用戶(hù)定義的優(yōu)先級（缺省優(yōu)先級為適配器輸入），自主地選擇最合適的輸入（交流適配器或USB）。過(guò)壓保護（OVP）電路同時(shí)保護兩個(gè)輸入，以免受到意外加上的高壓或反向電壓引起的損壞。LTC4156的理想二極管控制器保證，即使輸入功率不充足或不存在，也總是可以向VOUT提供充足的功率。為了在設備連接到一個(gè)處于暫停模式的USB端口時(shí)，最大限度地減少電池泄漏，在VBUS和VOUT之間放置了一個(gè)LDO，以向應用提供可允許的USB暫停電流。為了消除制造和銷(xiāo)售階段的電池泄漏，“裝運及貯存”特性將已經(jīng)很低的電池備用電流進(jìn)一步降至幾乎為零。
最后，LTC4156與LTC4155鋰離子版本是引腳和組件完全兼容的，從而無(wú)需重新大面積安排電路板，就可以靈活方便地在最后一分鐘更換不同化學(xué)組成的電池。

結論
對于新式便攜式工業(yè)和醫療設備來(lái)說(shuō)，設計師的工作極具挑戰性，尤其是涉及功率時(shí)。企業(yè)要求的功能越來(lái)越需要更大的功率，結果就是更大的電池。同時(shí)，人們需要便利性，希望可用任何電源給這些電池充電。由于固有的安全性、低浮置電壓、更長(cháng)的周期壽命、較低的自放電速率和相對輕的重量，磷酸鐵鋰電池正在成為主流選擇。但是像任何可再充電電池一樣，磷酸鐵鋰電池必須小心對待。盡管便攜式設備電源領(lǐng)域的這些趨勢成為了設計挑戰，但是LTC4156使事情容易多了。在低壓系統中，LTC4156高效率地提供了高達3.5A的充電電流，同時(shí)提供了高性能和安全功能。