Paljude tööstus- või meditsiiniseadmete võimsusarhitektuur on sageli sarnane suure ekraaniga nutitelefoni omaga. Tavaliselt on peamise toiteallikana kasutatud 3,7 V (lõpplaeng või "ujuvpinge" 4,2 V) Li-Ion, kuna see on suur energiatihedus ühiku kaalu kohta (Wh /kg) ja energiatihedus ühiku mahu kohta (Wh/m3) . Varem kasutasid paljud suure võimsusega seadmed toitevajaduste rahuldamiseks kahte 7,4 V (8,4 V ujuvpinge) Li-Ion akut, kuid odava 5V toitehalduse kättesaadavuse tõttu kasutavad üha enam pihuseadmeid madalama pinge arhitektuuri, mis võimaldab kasutada üheelemendilist Li-Ion akut. Tüüpilisel kaasaskantaval meditsiini- või tööstusseadmel on palju funktsioone ja väga suur (kaasaskantavate seadmete jaoks) ekraan. Kui see töötab 3,7 V akuga, tuleb selle võimsust mõõta tuhandete millivatt-tundidega. Sellise suure aku laadimiseks mõne tunni jooksul on vaja mitme ampri laadimisvoolu.
LiFePO4 akude madal 3,6 V ujuvpinge takistab standardse Li-Ion'i kasutamist. Ebaõige laadimine võib põhjustada sellele akule korvamatut kahju. Täpne ujuvpinge laadimine pikendab aku kasutusaega. LiFePO4 patareide eelised koobaltipõhiste liitium-ioonakudega võrreldes hõlmavad suuremat mahulist energiatihedust ja vähem enneaegset riket.
Peamised disainipiirangud on kokku võetud järgmiselt:
Suure võimsusega akud vajavad suurt laadimisvoolu ja suurt efektiivsust
Paljud kaasaskantavad rakendused, sealhulgas tööstus- ja meditsiiniseadmed, nõuavad USB-ühilduva laadimise mugavust
LiFePO4 akudel on spetsiaalsed laadimisnõuded, nimelt madalam ujuvpinge, ja neil on Li-Ioni akude ees mõned lohutavad eelised
Kõik ülalkirjeldatud IC-lahendused, mis vastavad nendele disainipiirangutele, peavad olema kompaktsed ja monoliitsed, võimelised kiiresti ja tõhusalt laadima üheelemendilisi suure võimsusega akusid ning ühilduma uute keemikutega, nagu liitium-raudfosfaat. Selline seade võib olla katalüsaatoriks suure võimsusega patareidega kaasaskantavate tööstus- ja meditsiinitoodete ülemaailmse kasutuselevõtu suurendamisel.
Üheelemendiliste patareide abil kaasaskantavate seadmete toiteprobleemide lahendamine
Kuigi ülaltoodud nõudeid võib tunduda võimatu täita monoliitse IC-ga, vaadake LTC4156. LTC4156 järgib populaarset liitiumipõhist LTC4155 ja on suure võimsusega, I2C-juhitav, suure efektiivsusega PowerPathi™ haldur, ideaalne kontroller ja liitiumraua fosfaat (LiFePO4) akulaadija kaasaskantavatele rakendustele, kasutades üheelemendilisi patareisid, nagu kaasaskantavad meditsiini- ja tööstusseadmed, varuseadmed ja suure võimsusega akutoitel töötavad rakendused. IC eesmärk on tõhusalt tarnida kuni 15W võimsust mitmesugustest toiteallikatest, minimeerides samal ajal energiatarbimist ja leevendades soojuseelarve piiranguid. LTC4156 läbipääsu topoloogia haldab sujuvalt toitejaotust kahest sisendallikast, näiteks vahelduvvooluadapterist ja USB-pordist, seadme laetava liitiumraua fosfaadiakuni, seades samal ajal esikohale süsteemi koormuse võimsuse, kui sisendvõimsus on piiratud. Vt joonis 1.
Joonis 1: LTC4156 tüüpiline rakendusahel
Energiasäästu tõttu võimaldab LTC4156 väljundkoormuse voolul ületada sisendvarustuse poolt välja tõmmatud voolu, maksimeerides seeläbi aku laadimiseks olemasoleva võimsuse kasutamist, ületamata sisendvarustuse spetsifikatsiooni. Näiteks kui seda toidab 5V/2A vahelduvvooluadapter, millel on 10W vaba võimsus, suudab IC lülitusregulaator tõhusalt pakkuda üle 85% olemasolevast võimsusest, pakkuda kuni ~2,4A laadimisvoolu ja laadida kiiremini . Erinevalt tavalistest akulaadijate vahetamisest on LTC4156-l kohene töö, mis tagab võimsuse kättesaadavuse kohe, kui süsteem on ühendatud, isegi kui aku on sügavalt tühjenenud. Kuna see toetab USBOTG-d (On-the-Go), võib see omakorda pakkuda USB-pordile 5V toiteallikat ilma täiendavate komponentideta.
LTC4156 autonoomne täisfunktsionaalne üheelemendiline LiFePO4 akulaadija suudab pakkuda kuni 3,5A laadimisvoolu 15 kasutaja poolt valitava laenguvoolu seadistusega. Laadija sisaldab automaatset laadimist, halba akutuvastust, programmeeritavat turvataimerit, kontrollitud temperatuuriga kvalifitseeritud laadimist, programmeeritavat laadimislõpu näidikut/lõpetamist ja programmeeritavaid katkestusi. LTC4156 on pakendatud madala profiiliga (0,75 mm) 28-pin 4mmx5mmQFN pakendisse ja töötab kindlasti üle -40C kuni 125C temperatuurivahemiku.
Kõrge efektiivsusega sisemine lülitusregulaator
LTC4156 lülitusregulaator töötab nagu trafo, mis võimaldab VOUT koormusvoolul ületada sisendvarustuse poolt välja tõmmatud voolu ja võime akut olemasoleva võimsusega täielikult laadida on oluliselt paranenud võrreldes tüüpiliste lineaarse režiimi laadijatega. Eelnevad näited illustreerivad, kuidas LTC4156 suudab tõhusalt laadida kuni 3,5A, võimaldades kiiremat laadimiskiirust. Erinevalt tavalistest lülitusakulaadijatest on LTC4156-l kohene töö, mis tagab, et toide on süsteemile kättesaadav kohe, kui see on ühendatud, isegi kui aku on tühi või sügavalt tühjenenud.
Joonis 2: LTC4156VOUT efektiivsus vs koormusvool
Akude puhul ohutum
Aku kiirel laadimisel on oluline jälgida aku ohutust. Kui aku temperatuur langeb alla 0C või tõuseb üle 60 °C (mõõdetuna välise negatiivse temperatuuri koefitsiendi NTC termistoriga), lõpetab LTC4156 automaatselt laadimise. Lisaks sellele autonoomsele funktsioonile pakub LTC4156 laiendatud ulatusega 7-bitist analoog-digitaalmuundurit (ADC), et jälgida aku temperatuuri ~1C eraldusvõimega (vt joonis 3). Seda ADC-d koos 4 olemasoleva ujukpinge seadistuse ja 15 aku laadimisvoolu seadistusega saab kasutada aku temperatuuril põhinevate kohandatud laadimisalgoritmide loomiseks.
Joonis 3: 7-bitine termistor ADC, mis näitab eelseadistatud LTC4156 temperatuuri reisipunkte
Paljude kaasaskantavate rakenduste puhul, nagu tahvelarvutid või tööstuslikud vöötkoodiskannerid, piisab kahest sisendist (nt USB- ja vahelduvvooluadapterist). Kuid kaasaskantavad seadme disainerid otsivad pidevalt võimalusi akude laadimiseks mis tahes olemasolevast toiteallikast. LTC4156 kahe sisendiga eelisjärjekorras multiplekser valib autonoomselt kõige sobivama sisendi (vahelduvvooluadapter või USB), mis põhineb kasutaja määratletud prioriteedil (vaikeprioriks on adapteri sisend). Ülepingekaitse (OVP) ahel kaitseb mõlemat sisendit samaaegselt kahjustuste eest, mis on põhjustatud juhuslikult rakendatud kõrgest või vastupidisest pingest. LTC4156 ideaalne dioodkontroller tagab, et VOUT-le on alati saadaval piisav võimsus isegi siis, kui sisendvõimsus on ebapiisav või puudub olematu. Aku lekke minimeerimiseks, kui seade on ühendatud USB-pordiga peatamisrežiimis, paigutatakse VBUS-i ja VOUT vahele LDO, et pakkuda rakendusele lubatud USB-peatamisvoolu. Aku lekke kõrvaldamiseks tootmise ja müügi ajal vähendab funktsioon "Laev ja ladustamine" veelgi juba tühje aku varuvoolu peaaegu nullini.
Lõpuks on LTC4156 täielikult pin- ja komponendiga ühilduv LTC4155 Li-Ion versiooniga, võimaldades viimase hetke aku keemikute paindlikkust ja mugavust, ilma et oleks vaja suuri ümberistumisi.
kokkuvõtteks
Uute kaasaskantavate tööstus- ja meditsiiniseadmete puhul on disaineri töö äärmiselt keeruline, eriti kui tegemist on võimsusega. Ettevõtte taotletud funktsioonid vajavad üha enam rohkem võimsust ja selle tulemusena suuremaid patareisid. Samal ajal vajavad inimesed mugavust ja soovivad neid akusid laadida mis tahes toiteallikaga. Liitium-raudfosfaadi patareid on muutumas tavapäraseks valikuks tänu omasele ohutusele, madalale ujukpingele, pikemale tsükli kestusele, madalamale isetühjenemise kiirusele ja suhteliselt kergele kaalule. Kuid nagu iga laetav aku, tuleb liitiumraua fosfaatakusid hoolikalt töödelda. Kuigi need kaasaskantavate toiteallikate suundumused on tekitanud disainiprobleeme, muudab LTC4156 asjad palju lihtsamaks. Madalpingesüsteemides pakub LTC4156 tõhusalt kuni 3,5A laenguvoolu, pakkudes samal ajal kõrge jõudlusega ja ohutusfunktsioone.
