AN156 - マイクロコントローラを使用してMP2659の給電電流を調整する

MP2659は、1電池から6電池の直列LiイオンまたはLiポリマーバッテリパックを持つアプリケーションを充電するために設計された、高度に集積されたスイッチングチャージャです。このICは、異なるバッテリ調整電圧を持ついくつかのバッテリの化学タイプをサポートします。充電電流は、ISETピンとAGNDの間に対応する抵抗 (R_ISET) を接続することで調整できます。R_ISETと充電電流の関係は、式 (1) で計算できます。

$$I_{CHG} = \frac{96(kΩ)}{R_{ISET}(kΩ)}$$

図1に、MP2659の標準的な回路図を示します。

図1: MP2659のアプリケーション回路図

充電電流はR_ISETで調整できますが、この方法はリアルタイム調整では信頼できません。MCUのPWMを使用することにより、給電電流をリアルタイムでより信頼性の高い方法へと調整できます。

2. メソッドの詳細

MP2659は、ISETピンによって読み取られるさまざまな抵抗値で給電電流を調整します。ISETピンは1.2Vの定電圧を維持します。つまり、ISETピンとAGNDの間の等価抵抗を変更することで給電電流を調整できます。この変更は、MCUのPWMデューティサイクルを変更することで開始できます。

図2: ISETピンの等価回路

2.1 方法の概要

図3は、同等の抵抗がMP2659のISETピンに接続されている場合の設計の構築方法を示しています。

図3: 等価抵抗設計回路

PWM信号には制御可能なデューティサイクルがあります。この信号はMCUによって生成されます。RCフィルタ (R₂、 R₃、および C_ISETで構成される) は、PWM信号をDC信号にフィルタリングします。ISETピンとAGND間の等価抵抗 (R_EQ) は、式 (2) で計算できます。

$$R_{EQ}=\frac {1.2R_1G_{123}}{1.2G_{123} - (\frac{DUTY \times V_{M\_PWM}}{R_2}+\frac{1.2}{R_1})}$$

ここで、DUTYはPWMデューティサイクルであり、 V_{M_PWM} はPWM振幅です (MCU供給電圧と同じで約3.3V) 。C123は式 (3) で推定できます。

$$G_{123} = {1 \over R_1} + {1 \over R_2} + {1 \over R_3}$$

式1、2、および3において、R_EQは0Ω以上である必要があります。R_EQが0Ω以下になると、I_CHG = 0Aになります。表1に、PWM入力に基づく給電電流を示します。

表1: 給電電流 対 PWM入力

PWM入力	PWMデューティ	充電電流
グランド	0%	96(kΩ)/(R1+R2//R3)
Logic high	100%	0A
PWMデューティサイクル	0%からMAX_DUTY(1)	直線的に調整される給電電流
フロート	該当せず	96(kΩ)/(R1+R2)

 

注:

1) MAX_DUTYは充電電流が0Aまで低下した場合のPWMの最大デューティです。80%程度にすることを推奨します。

2.2 パラメータ関連設計ガイド

上記の分析に基づいて、パラメータ (R₁, R₂, R₃, C_ISET) は、次のガイドラインに従って設計できます。

• 最大給電電流に対応する等価抵抗はR_{MAX_ICHG}であり、式 (4) で計算できます。 
$$R_{MAX\_ICHG} = R_1 + R_2 // R_3$$
• 式 (5) で推定された適切なR₁を選択します。
$$R_1 = 0.5R_{MAX\_ICHG}$$
• この方程式を解き、方程式 (6) を使用してR₂ とR₃を計算します。
$$ \begin{cases} R_2//R_3=R_1 \\[2ex] \frac{MAX\_DUTY \times V_{M\_PWM} - 1.2}{R_2} = \frac{1.2}{R_3} \end{cases} $$
• 式 (7) で推定される、適切なC_ISETを選択して、PWM信号をDC信号にフィルタリングします。
$$f_{FILTER} = \frac {1}{2\pi(R_2//R_3)C_{ISET}} << f_{PWM}$$

f_FILTERがRCフィルタのカットオフ周波数である場合、約10Hzにすることを勧めます。 f_PWMはPWM周波数であり、1kHzより高くすることをお勧めします。

3. 設計例

このセクションでは、MAX_ICHG = 2.7A、MAX_DUTY = 80%、V_{M_PWM} = 3.3V、およびf_PWM = 2kHzの場合に給電電流をリアルタイムで調整するためのパラメータを適切に設計する方法を示します。

3.1 設計プロセス

1. 式 (8) を使用してR_{MAX_ICHG} を計算します。
$$R_{MAX\_ICHG} = \frac {96(kΩ)}{MAX\_ICHG} = 35kΩ$$
2. R₁ = 20kΩを選択します。
3. 式 (6) を使用して、R₂ = 33kΩ、および R₃ = 27kΩを計算します。
4. Set C_ISET = 1μFに設定して、PWM信号をDC信号にフィルタリングします。 

3.2 設計結果

このアプリケーションノートで提案されている方法の有効性を検証するために、上記で決定されたパラメータを使用してデモボードを作成します。図4にデモボードの回路図を示します。

図4: MP2659 給電電流調整アプリケーションデモボードの回路図

デモボードのテスト後に得られた結果によると (次のテスト条件下で：V_IN = 16V、V_BATT = 12V、V_{M_PW} = 3.3V、およびf_PWM = 2kHz) 、給電電流とPWMデューティサイクルの間にはリニアの関係があり、デューティサイクルは0%から82%の広い範囲を提供します。(図5を参照) 。

図5: 給電電流 対 PWMデューティサイクル

さらにMP2659は、給電電流が変化してもオーバーシュートまたはアンダーシュートが発生しません (図6を参照) 。さらに、ICは通常の起動とシャットダウンを示します (図7を参照)。

すべてのテスト結果は、このアプリケーションノートで紹介されている設計方法の有効性を裏付ける証拠を提供します。

図6: 0.5Aと2.4Aの間の給電電流遷移

図7: MP2659 オン / オフアプリケーションの波形 (PWMデューティ= 50%)

4. 結論

給電性能は、調整可能な給電電流で最適化できます。このアプリケーションノートでは、MCUを使用してMP2659の給電電流をリアルタイムで調整する方法を提案しました。この電流給電方法の有効性を証明するために、設計例とテスト結果を提示しました。

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