バッテリチャージャの基礎

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バッテリ充電の基本

リチウムイオン電池は、バッテリの充電電流と電圧を調整する装置であり、携帯電話、ノートパソコン、タブレットなどの携帯機器に一般的に使用されています。他のバッテリの化学構造と比較して、リチウムイオンバッテリは、最も高いエネルギー密度の1つを有し、セルあたりの電圧が高く、より高い電流に耐えることができ、バッテリが完全に充電されたときにトリクル充電する必要がありません。さらに、リチウムイオン電池にはメモリ効果がありません。つまり、完全に消耗する前に充電された場合、さらに低い充電容量を「記憶」しません。ただし、リチウムイオン電池は、バッテリの温度と電圧レベルに応じて自動的に調整される特定の定電流と定電圧 (CC-CV) 給電プロファイルで給電される必要があります。

充電プロファイル

充電プロファイルは、バッテリの充電時にバッテリの電圧と電流がどのように変化するかを示すため、リチウムイオン電池の基本的な側面になります。簡単にすると、充電プロファイルは、X軸に時間を示し、Y軸にバッテリ電圧またはバッテリ充電を示すグラフとして整理できます。これにより、安全機能を認識しながらバッテリを最適に充電する方法についての洞察力が得られます。図1は、MP2759Aの給電プロファイルを示しています。MP2759Aは、1セル~6セル直列のリチウムイオンまたはリチウムポリマーバッテリ用に設計された、高度に統合されたスイッチングチャージャです。

図1: MP2759Aの給電プロファイル

リチウムイオン電池は、以下でより詳細に説明する比較的一般的な充電プロファイルに従います。チャージャICが設定可能である場合、設計者は、これらのフェーズに対して独自のしきい値を設定する場合がありますので注意しましょう。ほとんどのバッテリメーカーが異なる最大充電電流レベルに対して特定のしきい値を指定していることを考えると、これらの設定可能なしきい値は非常に役に立ちます。設定可能なことにより、バッテリを過電圧や過熱状態から保護して安全性を高めることができるのです。また、バッテリに永久的な損傷を与えたり、バッテリの容量を低下させたりする過負荷からもバッテリを保護できます。

  1. トリクル充電: 一般的に、トリクル充電フェーズは、バッテリ電圧が非常に低いレベル (約2.1V) 未満の場合にのみ使用されます。この状態では、バッテリが大きく放電したり、過電流が発生したりするため、バッテリパック内部の保護ICが、前もってバッテリを切断している可能性があります。チャージャICは、小さな電流 (通常は50mA) を供給してバッテリパックのコンデンサに給電し、保護ICを起動して、そのFETを閉じることによってバッテリを再接続します。トリクル充電は通常、数秒間持続しますが、バッテリが損傷していることを示すため、チャージャICには、バッテリパックが一定時間内に再接続されない場合、給電を停止するタイマを組み込む必要があります。
  2. プリチャージ : バッテリパックが再接続されるか、放電状態になると、プリチャージが開始されます。プリチャージ中、チャージャは、通常、C/10 (Cは容量 (mAh)) の低電流レベルで、消耗したバッテリを安全に給電し始めます。プリチャージの結果、バッテリ電圧はゆっくりと上昇します。プリチャージの目的は、低電流で安全にバッテリを充電することです。これにより、セルの電圧がより高いレベルに達するまで、セルへの損傷が防止されます。
  3. 定電流 (CC) 充電: 定電流 (CC) 充電は、急速充電とも考えられ、以下でさらに詳細に説明します。プリチャージ後、1セルあたり約3Vに達した時点で、CC充電は開始されます。CC充電フェーズでは、0.5C~3Cより高い充電電流を処理してもバッテリは安全です。CC充電は、バッテリ電圧が「フル」またはフローティング電圧レベルに達するまで継続し、その時点で定電圧状態が始まります。
  4. 定電圧 (CV) 充電: リチウム電池の定電圧 (CV) しきい値は、通常、セル1個あたり4.1V~4.5Vです。チャージャICは、CC給電中にバッテリ電圧をモニタします。バッテリがCVしきい値に達すると、チャージャはCCからCV制御に移行します。チャージャICから見た外部バッテリパック電圧がパック内の実際のバッテリセル電圧を超えるため、CV充電が実施されます。これは、内部セル抵抗、PCB抵抗、および保護FETとセルに起因する等価直列抵抗 (ESR) によるものです。安全な動作を保証するために、チャージャICは、バッテリ電圧がその最大フローティング電圧を超えないようにする必要があります。
  5. 充電終了: チャージャICは、CV状態で、バッテリに流れる電流が設定されたしきい値 (約C/10) 未満に低下したことに基づき、充電サイクルをいつ終了するかを決定します。この時点で、バッテリは完全に充電されたと見なされ、充電は完了します。チャージャICで充電終了を無効にすると、充電電流は自然に0mAまで低下しますが、実際にはこれが行われることはまれです。これは、CV充電中にバッテリに入る充電量が指数関数的に減少し (セル電圧が大きなコンデンサのように増加するため)、容量がごくわずかしか増加せず、バッテリを再充電するのにかなり長い時間がかかるためです。

実際の充電電流は、入力電流制限、入力電圧制限、温度調整、バッテリ温度などのループ調整により、設定された値よりも常に低くなる可能性があります。バッテリの安全性の詳細については、以下の「安全性」セクションを参照してください。

急速充電

急速充電に関しては、セルメーカーの仕様に基づいてバッテリがどれだけの電流を処理できるかを決定することが重要です。例えば、バッテリには「Cレート」があり、これはバッテリが充電および放電される最大電流を指定します。Cレートの仕様は、通常、使用される正確なセルに依存して0.5C~3Cの間ですが、Cレートが高くなるとエネルギー密度が低くなるという矛盾があります。一例として、1CのCレートをもつ3000 mAhバッテリは、最大3Aで充電できることを意味します。通常、セルメーカーは、Cレートに対して異なる電圧および温度幅も指定しており、この場合、レートはより低い電圧、およびより高い温度とより低い温度の両方で低下します。

バッテリのCレートが高ければ、より多くの電流を処理できるため、より迅速に充電できます。例えば、スマートフォンやノートパソコンなどの携帯機器は、少なくとも1日に1回は再充電される可能性が高いため、ワイヤレススピーカーと比較してより高いCレートのバッテリの恩恵を受けられます。通常、動作時間が短く、いつも使用する機器は、急速充電の有力候補になります。バッテリのCレートを理解することで、設計者は、バッテリに最適なチャージャトポロジーと安全機能を選択でき、ソリューションを最適化する方法を決定できるようになります。

急速充電としても知られる定電流 (CC) 充電フェーズは、通常、バッテリの電圧しきい値によって決定されます。特に、MP2731は、その高速充電フェーズを、「バッテリ電圧がプリチャージのしきい値を超え、かつそのCVしきい値未満である期間」として定義しています。最初の急速充電フェーズの間、バッテリFETは、高速充電電流でバッテリを充電します。バッテリ電圧がその新しいしきい値を超えると、バッテリFETは完全にオンだとみなされます。

チャージャの選び方

適切なバッテリチャージャシステムを選択する場合、バッテリパックの直列セル数、入力電圧 (VIN) 範囲、給電電流、およびシステムパワーパス管理のパラメータを考慮することが重要です。これらのパラメータによって、充電回路で必要な電力変換のタイプ (スイッチングまたはリニア)、および狭電圧DC (NVDC) パワーパス管理などのシステムレールに電力を供給するために必要な追加機能が決まります。これらの質問に対する回答は、チャージャトポロジーの選択に直接影響します。つまり、チャージャトポロジーは、以下の基本パラメータによって決定できます。

  1. 5V入力で、充電電流が500mA以下のシングルセル・バッテリパックの場合は、リニアチャージャを選択します。一般的に、シングルセル・バッテリパックの最大電圧は4.2V~4.5Vの間です。システムの設計と熱性能によっては、リニアチャージャの最大電流が期待値を上回る場合と下回る場合がありますので注意しましょう。
  2. 充電電流が500mAを超える場合は、スイッチングチャージャの使用をおすすめします。また、一般的に電圧が5V以上のUSBアプリケーションにも、スイッチングチャージャが推奨されます。VINと最大バッテリ電圧 (VBATT) に基づいて選択できるスイッチングチャージャトポロジーは3つあります。VINが最大VBATTより低い場合は、昇圧チャージャを選択します。VINがVBATT以上の場合は、降圧チャージャを選択します。VINがVBATTより高かったり、低かったり、等しかったりする場合は、昇降圧チャージャを選択します。これらのトポロジーについては、以下でさらに詳しく説明します。

バッテリパックセルの構成

バッテリ構成に関しては、シングルセル・チャージャとマルチセル・チャージャがあります。これらの値は、バッテリパック内に物理的に直列に配置されたセルの数、およびチャージャの出力電圧 (VOUT) 範囲に対応します。

シングルセル・バッテリは出力が低く、サイズが小さい。通常、最大放電電流は1Cから3C (例えば、1Ah=1A~3A) です。つまり、シングルセル・バッテリは、電話、時計、ヘッドフォンなどの小型携帯機器によく使用されるということです。一方、マルチスタックセルは非常に多くの電力を供給することができ、ノートパソコン、スピーカー、モバイルバッテリ、ドローンなど、より多くの電力を必要とする大規模なシステムによく使用されます。バッテリパック内で並列に接続されたセルの数は、それらの電圧が同じであるため、通常、チャージャICの選択に影響しませんので注意しましょう。

入力電圧 (VIN) 範囲

ほとんどの家電製品はUSBポートから電源を供給されており、最低5Vをサポートしている必要があります。USB規格がUSB電力供給 (PD) をサポートする新しいUSB Type-Cコネクタに進化したため、最大許容電圧は20Vまで上昇しました。この値は、USB PDの拡張電力範囲 (EPR) 仕様では48Vまで上昇します。チャージャシステム設計の観点から、チャージャICは、下流レールに電力を供給しながら、バッテリを充電するために必要なVIN範囲および電力をサポートできる必要があります。システムに必要な総電力が15W未満の場合は、標準のUSB Type-C (5V) を使用できます。合計電力が15Wを超える場合、USBコネクタを使用するときは、より高いVINとUSB PDを持つソリューションを使用する必要があります。

USBアプリケーションの場合、チャージャICは5Vとの下位互換性が必要です。これは、直列に複数のセルを備えたバッテリを使用する場合、トポロジーが広い入力範囲 (例: 昇降圧) をサポートする必要があるため、チャージャの選択にコストと複雑さが増す可能性があります。USB以外のコネクタ (バレルジャックなど) を使用する場合、システム設計者は通常、他の電圧レベルをサポートする必要はなく、VINを自由に選択できます。これにより、設計はより単純になり、費用対効果はより高いものになりますが、特定の製品にのみ互換性のある特別な壁チャージャが必要なエンドユーザにとっては、より不便になるかもしません。

充電電流

設計者は、充電電流とそれがチャージャトポロジーの選択にどのように関係するかを考慮する必要があります。充電電流が500mA以下の場合は、コストとサイズが削減されるため、リニアチャージャが推奨されます。スイッチングチャージャは、電力損失を低減し効率を向上させるため、高電流用に推奨されます。しかし、スイッチングチャージャはインダクタを必要とし、リニアチャージャと比較して基板スペースがさらに必要になります。

例えば、5VのUSB入力から1Aで給電する場合、リニアチャージャは推奨されません。リニアチャージャを使用する場合、急速充電フェーズの開始時にバッテリが3Vだと、2Vがチャージャで低下するため、2Wの電力損失が発生します。リニアチャージャは充電電流の少ない小型バッテリにのみ推奨されますが、スイッチングチャージャははるかに高い充電電流を処理できます。

システムパワーパス管理 (PPM)

パワーパス管理 (PPM) は、入力電源の電流能力とシステムの負荷電流要件に基づいて、バッテリ充電電流を調整します。PPMを使用すると、システムのマイクロコントローラ (MCU) またはシステムオンチップ (SoC) が十分な電力を受け取りながら、過電流を使用してバッテリを充電できます。以下で説明するように、いくつかのパワーパスオプションがあります。

パワーパスがないシンプルなチャージャ (直接バッテリ電源)

パワーパスがないシンプルなチャージャの場合、バッテリはシステムに直接接続され、チャージャICには1つのバッテリ出力しかありません。この場合、製品の電源を入れる前に、バッテリは充電されて、システムの最低電圧に達する必要があります。これは、バッテリが大きく放電したときに余計な時間がかかり、その結果、充電中に製品を使用することができるアプリケーションにおいて、最適ではないユーザエクスペリエンスになる可能性があります。パワーパスのないシンプルなチャージャの利点は、その単純さとより低いBOMコストです。

シンプルなチャージャの一例として、MP26029があります。これは、温度調節機能を備えたシングルセル・リチウムイオン / リチウムポリマー・バッテリチャージャICです (図2参照)。オンチップ充電MOSFETは、プリチャージ、定電流 (CC) 充電、定電圧 (CV) 充電、充電終了、および自動再充電を備えた完全な機能のリニアチャージャとして動作します。内部バイアス回路は、INまたはBATT間のより高い電圧によって電力供給されます。 また、MP26029は、充電を有効または無効にするためのISETピンと、ICが活発に給電している時、給電が終了した時、または給電が中断された時に報告するための状態表示ピンも提供します。

図2: 5V入力のMP26029標準アプリケーション回路

OR選択パワーパス (バイパスモード)

OR選択パワーパス管理 (バイパスモードまたはパススルーアプローチとも呼ばれる) では、外部スイッチがバッテリ充電とシステムパスを管理します。この方法は、エネルギー貯蔵容量を最適化し、バッテリ故障時の保護を提供します。OR選択パワーパス管理は、次の2つの基本原則に従います。

  • VINが存在する場合、VINはシステムに直接接続される
  • VINがない場合、VBATTはシステムに直接接続される

ORを選択した場合、システムはVINに耐えられる必要があります。一方で、系統電圧 (VSYS) は調整されません。さらに、このトポロジーでは、これら2つのレールが分離されているため、バッテリはシステム電源を追加電流で補うことができません。この問題を軽減できるNVDCパワーパス構造については、以下で詳しく説明します。

MP2759は、1~6セルで動作するOR選択パワーパス管理機能を備えたリチウムイオン / リチウムポリマー・バッテリチャージャの一例であり、異なるバッテリレギュレーション電圧で複数のバッテリの化学的種類をサポートできます。MP2759はQFN-19 (3mm x 3mm) パッケージで提供され、バッテリの電圧と電流に応じて、4つの充電フェーズ (トリクル充電、プリ充電、CC充電、CV充電) を切り替えることができます。バッテリが消耗したときにシステムに電力を供給するOR選択機能に加えて、JEITAプロファイルによるバッテリ温度モニタリングやバッテリ過電圧保護 (OVP) などの保護機能も備えています。

MP2759の外付けPチャネルバッテリMOSFETは、OR選択パワーパス管理をサポートしています。バッテリFETのゲートはINピンの信号で駆動されます。入力ソースがない場合、バッテリFETは、バッテリをシステムに接続します。入力ソースが存在する場合、バッテリFETはオフになり、入力ソースは異なるMOSFET (Q1) を介してシステムに電力を供給します。さらに、入力電流制限は、充電電流を減少させることによって入力電源が過負荷になるのを防ぎます (図3参照)。

図3: OR選択パワーパス管理

狭電圧DC (NVDC)

狭電圧DC(NVDC)パワーパス管理は、次に説明する多くの利点を提供する一般的な方法です。

  • バッテリ電圧が低下すると、システムが電源をすぐに入れることができる
  • システム電圧はバッテリ電圧を追跡し、外部VINを許容する必要がないため、充電時の発熱を低減し、より低い電圧のシステム設計を可能にする
  • バッテリは、入力電力が低いときにシステムを補うことができる
  • シッピングモード、過電流保護 (OCP)、低電圧保護 (UVP)などの使用時には、システムをバッテリから完全に切断できる

NVDCを使用する場合、チャージャには2つの個別の出力 (1つはシステムからの出力、もう1つはバッテリからの出力) があり、これによりチャージャはシステムをバッテリ電圧より高く調整できます。NVDCには、シッピングモードのオプションもあります。シッピングモードでは、VINが存在しない場合、バッテリとシステムノードの間にある内部バッテリFETを無効にすることによって、バッテリをシステム出力から完全に切り離すことができます。これにより、システムによる電流消費が効果的に排除され、製品が小売店の棚に置かれている間、バッテリの充電を長もちさせます。

MP2733は、シングルセル・リチウムイオンとリチウムポリマー・バッテリ用の4.5Aの高度に統合されたスイッチングモードのバッテリチャージャです。このICはNVDCパワーパス管理を提供するため、タブレット、ワイヤレスカメラ、スマートフォン、および携帯機器に適しています。NVDCでは、システムとバッテリが別々に制御されるため、起動時にシステムが優先され、バッテリがなくなったり、大きく放電したりしても電源をオンにできます。バッテリが消耗した状態で入力電源が使用できる場合、システム電圧は設定可能な最小値 (VSYS_REG_MIN) に調整されます。NVDCアーキテクチャは、フロントエンドのステップダウンDC/DCコンバータと、SYSピンとBATTピンの間に配置されたバッテリFETによってサポートされています。図4はMP2733のNVDC構造を示しています。

図4: NVDCパワーパス管理

NVDC構造は、次の方法で電圧を調整します。

  1. VBATTが、VSYS_MIN未満に低下した場合、システム電圧はVSYS_REG_MINに調整されます。一方、バッテリFETは直線的に動作し、VBATTに基づいてバッテリを充電します。また、VSYS_MINはI2C インタフェースを介して設定できます。
  2. VBATTが、VSYS_MIN + VBATT_GRD (約60 mV) を超えると、バッテリFETは完全にオンなります。バッテリ間の電圧差はバッテリFETのVDSであり、充電電流ループはコンバータのPWM制御によって実現されます。
  3. 充電が中断または完了した場合、システム電圧は最大値に調整されます (図5参照)。

上記の機能に加えて、MP2733のNVDC構造はシッピングモードをサポートしています。

図5: VSYSによるVBATTバリエーション

チャージャトポロジー

チャージトポロジーの2つの主なタイプは、リニアチャージャとスイッチングチャージャ (さらに昇圧チャージャ、降圧チャージャ、昇降圧チャージャに分類可能) です (図6を参照)。これらのトポロジーについては、以下で詳しく説明します。

図6: チャージャトポロジー

リニアチャージャ

一般に、リニアチャージャは小さく、シンプルで、高い費用対効果があります。これらのチャージャは、スイッチングがないためノイズを低減できますが、充電電流が大きいほど消費電力が大きくなり、パッケージサイズによって制限されます。このため、リニアチャージャは小型であるため、フィットネスアクセサリ、スマートウォッチ、Bluetoothイヤホンなど、IoT (モノのインターネット) デバイスに理想的です。

リニアチャージャの例として、MP2662があります。これは、携帯アプリケーション向けのパワーパス管理を備えた高度に統合されたシングルセル・リチウムイオン / リチウムポリマー・バッテリチャージャです。超コンパクトなWLCSP-9 (1.75mm x 1.75 mm) パッケージの、MP2662は、ACアダプタまたはUSBポートのいずれかから電源を供給できる柔軟性を備えており、ICは電源を入力、バッテリ、またはその両方のいずれで供給するかを自律的に決定します。MP2662のパワーパス管理機能は、充電電流をシステム負荷から分離して、充電を終了し、バッテリをフル充電の状態に保ちます。内蔵のI2Cインタフェースにより、バッテリ低電圧誤動作防止機能 (UVLO)、入力電流制限、最小入力電圧調整、充電電流、バッテリ調整電圧、安全タイマなど、さまざまな安全機能用にICを設定できます。

スイッチングチャージャ

スイッチングチャージャは、中電流~高電流においてリニアチャージャよりも効率的で、広い入力電圧 (VIN) 範囲にわたってより高い適応性を提供します。しかし、スイッチングチャージャはまた、インダクタおよびより多くのコンデンサを必要とするため、コストおよび複雑さが増大し、より多くのPCB空間を占める可能性があります。バッテリが大きいアプリケーションや、急速充電機能のためにより高い効率を必要とするアプリケーションには、スイッチングチャージャを選択することをお勧めします。これらのチャージャは、スマートフォン、タブレット、ノートブック、モバイルバッテリ、スピーカーなどの高密度システムに最適です。スイッチングチャージャには、主に降圧 (またはステップダウン)、昇圧 (またはステップアップ)、昇降圧チャージャの3種類があり、出力を入力の上または下に調整できます。スイッチングチャージャを選択する場合は、次の2つの点を考慮してください。

  1. VIN範囲はどれくらいですか (例 : 5V USBアプリケーション用、またはUSB PDアプリケーション用ですか) ?
  2. バッテリパックの電圧範囲 (パック内の直列セルの数によって決まる) はどれくらいですか?

システム設計者がこれらの質問に答えると、スイッチングチャージャのトポロジーを容易に特定できます。通常、スイッチングチャージャは、充電電流が500 mAを超えるアプリケーションに使用されます。

スイッチングチャージャのタイプ (降圧、昇圧、昇降圧について以下に説明します。

降圧チャージャ

降圧バックチャージャは、シングルセル・バッテリを備えた5V USBのように、最小入力電圧が常に最大バッテリ電圧 (VBATT) を超える場合に実装されます。必要な最大充電電力が5V USB Type-C (例 : ほとんどのスマートフォン) で提供される15Wを超えても、より高いVIN動作レベルとUSB PDでサポートされる電力に対応できる限り、降圧チャージャを使用できます。

MP2721は、低インピーダンスのパワーパスを提供する降圧チャージャであり、充電効率の最適化、バッテリ充電時間の短縮、バッテリ寿命の延長を実現します。このICは、USBバッテリ充電仕様1.2 (BC1.2) および非標準アダプタの検出をサポートしています。MP2721のI2Cインタフェースでは、出力電圧 (VOUT)、スイッチング周波数 (fSW)、充電電流、入力電流制限、安全タイマ、ダイ温度調整などのパラメータを設定できます。

昇圧チャージャ

昇圧チャージャは、2セルバッテリを備えた5V USBのように、VINが最大VBATTを下回ったときに実装されます。このタイプのチャージャは、15W以下を必要とするアプリケーションにのみ実装されます。これは、より高い電力需要に対しては昇降圧型チャージャが必要となるためです。電力需要の少ないマルチセルアプリケーションに昇圧チャージャを使用すると、USB PDコントローラなどの追加部品が不要になるため、コストを削減できます。

MP2672Aは、2つのセルが直列に接続されたリチウムイオンバッテリ用の柔軟なスイッチモード昇圧型チャージャICであり、PoS (Point-of-Sales) システム、ジンバル、Bluetoothスピーカーなどの携帯アプリケーションに適しています。このチャージャは、各セルの電圧をモニタし、電圧が不一致のしきい値を超えた場合に電圧を均等化するセルバランス機能を特徴としています。さらに、MP2672Aには、スタンドアロンモードとホスト制御モードの2つの設定モードがあります。ホスト制御モードでは、I2C経由で給電パラメータを設定できます。一方、スタンドアロンモードでは、CVおよびISETピンに抵抗を接続することで特定のパラメータを調整できます。保護機能には、バッテリ過電圧保護 (OVP)、安全タイマ、ウォッチドッグタイマ、バッテリ切れ検出、温度調整などがあります。

昇降圧チャージャ

昇降圧回路トポロジーのチャージャは、VBATTをICのVINより上下、または等しくすることができます。つまり、目標電圧に到達するまで、どの電源電圧レベルでもバッテリを継続的に充電できます。これにより、非常に広範囲の条件にわたって急速充電が可能になりますが、チャージャICのパッケージサイズを大きくする必要があります。通常は、入力電力が存在するとき、昇降圧チャージャは、昇圧モード、降圧モード、および昇降圧モードの3つの動作モードで動作することができます。昇圧モードでは、VINは、VBATT未満です。降圧モードでは、VINはVBATTを超えます。昇降圧モードでは、VINはVBATTとほぼ同じです。昇降圧チャージャは、全PD電圧範囲にわたって高電力を供給でき、5Vの古いUSBとの下位互換性も提供します。これらのチャージャは、ノートパソコン、スマートフォン、およびモバイルバッテリなどのマルチセル直列のUSB PDアプリケーションで最も一般的に使用されています。

MP2760 は、最適化されたTQFN-30 (4mm x 5mm) パッケージの昇降圧チャージャです。このチャージャは、狭電圧DC (NVDC) パワーパス管理機能とUSB OTG (On-The-Go) またはUSB PDソースモードを備えています。USB PDのソースモードでは、USBデバイス (モバイルバッテリなど) を電源として動作させ、そこから他のUSBデバイス (スマートフォンなど) に給電できます。

MP2760は、1セルから4セルを直列に接続するバッテリパック用に設計されています。4個のスイッチングFETを提供し、入力電圧パススルーとNVDC制御用に、2個のNチャネルMOSFETドライバを統合します。安全機能には、バッテリ過熱保護 (OTP)、システムおよびバッテリOVPと低電圧保護 (UVP)、バッテリ切れ検出、および短絡保護 (SCP)があります。

USB OTG (On-The-Go) またはソースモード

USB OTG (On-The-Go: USB Type-Cソースモードとも呼ばれる) はUSBの新機能ではありませんが、USB Type-Cコネクタが導入されるまでは一般的ではありませんでした。USB OTGを使用すると、携帯バッテリ駆動デバイスから双方向電源を可能にできます。これにより、デバイス (モバイルバッテリなど) は、接続された他のデバイスやアクセサリに給電できます。従来のマイクロUSB仕様では、OTGを利用するために特殊なケーブルが必要であったため、コストが増加し、製品の相互運用性が阻害されました (例えば、OTGをサポートするケーブルは、他のデバイスの充電と互換性がない場合があります)。USB Type-C規格が発表されると、USB OTGは大きなコストをかけずに同じケーブルとコネクタで実装できるため、はるかに人気のある機能になりました。現在、インダクティブトポロジーを備えたスイッチングチャージャICの多くは、USB OTG動作をサポートしています。この機能は、ノートパソコン、スマートフォン、モバイルバッテリなど、多くの一般的な製品で使用されています。

USB OTGをサポートする製品には、主に次の3つの要件があります。

  1. チャージャICは、5V以上で双方向動作に対応している。
  2. チャージャICが、接続されたシンク機器に過大な電流が流れ込まないように電流制限機能を備えている。
  3. 製品は、シンク (電力消費側) からソース (電力供給側) への役割の変更、接続されたシンクの検出、およびソースの定格電流をCCピンにアドバタイズできるUSB CCコントローラを備えている。

高効率降圧チャージャのMP2722は、USB Type-Cのソースモードとデュアルロールパワー (DRP) モードに必要な機能を統合しています。当ICの統合型CCコントローラは、シンク専用モード、ソース専用モード、およびDRPモードを提供します。これらのモードは、I2Cを介して手動で設定したり、自動で選択したりできます。MP2722はUSB Type-C 1.3に完全準拠し、DRP機能、Try.SNK、Try.SRCモードをサポートしています。

シンク専用モードでは、ICは入力ソースからの電力を低減できます。このICはチャージャとしてのみ動作し、INピンに入力ソースがある場合にバッテリに給電します。

ソース専用モードでは、デバイスはバッテリを使用してINピンに電力を供給できます。このモードは、外部デバイスの電源をオンにするアプリケーションに便利です。

DRPモードでは、DRPポートはシンクまたはソースとして動作し、接続されているポートタイプに従って、これらの機能を自動的に切り替えます。DRPポートの機能に関係なく、ホストはデバイスを強制的にオン / オフできます。

安全性

理想的なチャージャトポロジーを決定することに加えて、設計者は、ICの安全機能、およびそれらの機能がソリューション全体にどのように関連しているかを考慮する必要があります。共通の安全機能により、以下をモニタし、保護します。

  • 入力、バッテリ、およびシステムの低電圧と過電圧状態
  • 入力、システム、バッテリの過電流状態
  • バッテリ充電電流および電圧プロファイル
  • IC温度、バッテリ温度 (JEITA規格を含む)
  • 充放電制限時間 (充電安全タイマ経由)
  • MCUおよびチャージャソフトウェア (ウォッチドッグタイマ経由)

バッテリチャージャICに安全機能を実装する一般的な方法は、調整された動作範囲 (電流や電圧など) と、充電またはデバイス動作を許可しない上限および下限の両方をもつことです。

例えば、予想される動作入力電圧 (VIN) が5Vである場合、チャージャICは、3Vの入力低電圧保護 (UVP) しきい値および6Vの入力過電圧保護 (OVP) しきい値を設定できます。VINがこれらのしきい値の範囲外になると、ICは入力からの電力を無効にします。また、チャージャICは、約4.5Vで設定可能なVINレギュレーションループを実装して、過剰な電力が入力電源から引き出されるのを防ぐこともできます。この場合、チャージャICは単に入力から必要なだけの電力を引き出すだけであり、VINがそのしきい値を下回ると、引き出される電力が低減されます。このレギュレーションループが低電圧誤動作防止機能 (UVLO) および過電圧ロックアウト (OVLO) 保護と組み合わされている場合、チャージャICは、デバイスが接続され有効な間、入力電力を安全に最大化できます。

強力な保護機能を備えたチャージャ器ICの例として、MP2651があります。この昇降圧チャージャは、サイクルごとのMOSFET電流制限、システムとバッテリのOVPとUVP、システム短絡保護 (SCP)、温度調整、バッテリ切れ保護、およびバッテリ温度モニタを提供します。また、バッテリ電流をモニタして、バッテリが大幅に消耗していないことを確認します。

MP2651には、長時間の充電サイクルを防ぐための安全タイマも搭載されています。定電流 (CC) 充電および定電圧 (CV) 充電では、バッテリがCC充電フェーズに入るとタイマが開始します。タイマは、入力電力が切り替えられたとき、または装置がサーマルシャットダウンから回復したときなど、様々な条件下でリセットすることができます。バッテリが補助モードに入ると、またはNTCのホットまたはコールド障害が発生した場合にも、タイマを中断できます。さらに、タイマを元の長さの2倍に延長することもできます。

ウォッチドッグタイマ

設定可能なチャージャIC内のウォッチドッグタイマの主な目的は、システムのマイクロコントローラ (MCU) がフリーズしたり応答を停止したりするインスタンスを安全に処理することです。MCUが異常な動作を始めたり、完全に機能を停止したりすると、チャージャICに誤った値が書き込まれる可能性があり、充電中のバッテリの安全性に影響を与える可能性があります。

イネーブルの場合、ウォッチドッグタイマは設定可能な時間の間実行されます。チャージャICが、MCUからのI2Cトランザクションを検出すると、ウォッチドッグタイマは「ペット」のように見なされ、タイマが再度リセットされます。通常の動作では、タイマが切れるまでずっとペットのように扱われます。I2Cトランザクションが発生していないときにタイマが切れると、ウォッチドッグタイマは「吠え声」を出します。吠え声が出ると、チャージャはMCUに割り込みを送信し、第2段階のタイマを開始します。第2段階のタイマが切れる前に、I2Cトランザクションがない場合は、「かみつき」状態になります。この場合、チャージャICの全てのレジスタはデフォルト値にリセットされ、安全のため給電が無効にされます。NVDC電源パスを備えた一部のチャージャの実装では、ウォッチドッグタイマの「かみつき」によってバッテリFETを強制的に切り替えることができ、チャージャICとMCUの間の電力を遮断し、MCUを再起動します。

MP2710は、パワーパス管理およびI2Cインタフェースを備えたコンパクトな1セルのバッテリチャージャICです。このチャージャは、給電モードと放電モードの両方で動作する設定可能なウォッチドッグタイマを備えていますが、放電モードではタイマを無効にして静止電流を減らすことができます。ホストモードでウォッチドッグタイマが有効になっている場合 (設定可能なパラメータが変更されている場合)、ホストはMP2710に書き込むことによって定期的にタイマをリセットする必要があります。このタイマが切れると、ICの抵抗器のほとんどはデフォルトモードに戻ります。給電モードと放電モードの両方でタイマが切れると、低ドロップアウト (LDO) FETとバッテリFETは4秒間オフになります。ウォッチドッグタイマは、無効にすることも、40s、80s、120sに設定することもできます。また、I2C経由でリセットすることもできます。

バッテリ温度モニタリングとJEITA

チャージャICの重要な安全要件は、給電中にバッテリの温度をモニタし、温度が指定された範囲外にあるときに給電電流 (および/または電圧) を制御する能力です。最もシンプルな実装では、チャージャICは、バッテリパック内部の1つ以上の負の温度係数 (NTC) 抵抗器の両端に見られる比例電圧に関連するホットよびコールドのしきい値を有する2つのコンパレータを提供します。バッテリパックの温度がホットのしきい値を超えるか、コールドのしきい値を下回ると、充電は無効になります。

より高度な実装では、チャージャICは、JEITA (日本電子情報技術産業協会) のバッテリ規格に基づく5つ以上の温度ウィンドウを実装することができます。JEITAは技術報告書の基準を審査・確認しており、同グループのバッテリ基準は業界全体で広く利用されています。多くの実装において、チャージャICは、各温度しきい値を設定可能にするだけでなく、充電電流または最大バッテリ充電電圧の低減、または充電を完全に無効にするなど、各しきい値に対する設定可能な応答を実装する必要があります。ほとんどのバッテリパックメーカーは、それぞれのセルタイプおよび温度幅に応じて固有の充電電流および電圧要件を指定するので、この設定可能性は極めて重要です。

MP2651は、1セル~4セルの昇降圧型バッテリチャージャで、4つの温度しきい値と5つの温度ウィンドウを備えた完全にカスタマイズ可能なJEITAプロファイルを実装しています。コールド、クール、ウォーム、およびホットのしきい値と呼ばれるデフォルトの電源投入時のしきい値および充電動作は、ワンタイムプログラマブル (OTP) メモリを介して設定でき、後でI2Cによって変更可能です。これらのしきい値は、VNTCピンとNTCピンの間の電圧比を介してモニタされます。各電圧は、バッテリパック内のNTC抵抗の特定の温度に対応しています。いつでもバッテリの温度を把握できるように、MP2651 は、NTCピンやその他の重要なパラメータをモニタするA/Dコンバータ (ADC) を実装しています。これらすべてのモニタリング機能により、MP2651はJEITAへの準拠を実現すると同時に、追加のバッテリ温度情報を提供し、さまざまなバッテリに安全に対応できる柔軟性を備えています。

結論

MPSのバッテリチャージャ・ソリューションは、シングルセル・チャージャから、2つの直列セルまたは3つ以上の直列セルチャージャに至るまで、あらゆるバッテリ駆動アプリケーションを補完できる幅広い高性能ICをカバーしています。バッテリチャージャIC (例えばスイッチングまたはリニアチャージャ) を決定する際に、充電プロファイル、チャージャトポロジー、パワーパス管理構造、バッテリセル設定、及び安全機能 (例えば、ウォッチドッグタイマ及びJEITA温度モニタリング) のような考慮すべき多くの変数があります。設計者は、これらのパラメータがシステムやバッテリの仕様にどのように影響するかを理解すれば、最適なバッテリチャージャICを選択することができます。

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