シングルセル・リチウムイオンまたはリチウムポリマーバッテリー用の15W、デュアルロール、USB Type-C統合バッテリー管理ソリューションの設計

図1 : USB Type-Cポートの従来のアーキテクチャ

図1に基づくと、USB Type-Cシステムはより複雑です。USB電力供給 (PD) 通信機能を必要としない15W未満のアプリケーションでは、完全に機能するUSB PDコントローラは費用対効果が高くありません。本稿では、USB Type-C充電システムに必要な部品をシングルチップに実装する単一の直列セルチャージャであり、従来のUSB Type-Cアーキテクチャの欠点に対処し、設計プロセスをさらに簡素化するMP2722を使った統合ソリューションを提案します。

MP2722を用いた統合ソリューション

統合されたUSB Type-Cバッテリー管理ソリューションは、スペースを節約し、システムの複雑さを軽減します。MP2722は5A、 USB Type-Cデュアルロールポート (DRP) 検出を統合したリチウムイオンまたはリチウムポリマーバッテリー用のシングルセル狭電DC (NVDC) 降圧チャージャです。パワーMOSFETに加えて、MP2722はDRP CCコントローラも統合し、絶対最大入力電圧 (V_IN) を入力ピンまたはCCピンでそれぞれ最大26Vと22Vまで提供し、VBUSピンとCCピンの外部OVPが不要になります。

MP2722の統合CCコントローラは、シンク優先 (Try.SNK) およびソース優先 (Try.SRC) オプションでDRPモードをサポートします。シンクモードでは、デバイスは標準のUSB Type-C電流制限 (0.5A / 1.5A / 3A) を検出できます。ソースモードでは、CCピンで最大3Aの電流能力を確立できます。これらの機能により、MP2722は15WのデュアルロールUSB Type-Cソリューションに最適です。

図2は、MP2722を使用した15W、USB Type-C DRPソリューションの一般的なアプリケーション回路を示しています。これは、1つのインダクタといくつかの抵抗器およびコンデンサのみを必要とします。

図2 : 15W、統合型、USB Type-C DRPソリューション

マイクロコントローラユニット (MCU) が必要ない場合、MP2722はスタンドアロンの部品として動作し、ワンタイムプログラマブル (OTP) メモリユニットによってすべてのパラメータが設定されます。

USB Type-Cシンク、ソース、およびDRPポート

シンクポートとソースポートは、USB Type-Cポートの物理レセプタクルを共有します。これは、従来のUSB Type-AおよびType-Bポートとは異なります。USB Type-C仕様では、シンクポートはCC1およびCC2ピンにプルダウン抵抗 (Rd) (通常は5.1kΩ) を提供し、ソースポートはCCピンにプルアップ抵抗 (Rp) をソース電流能力に応じて提供する必要があります。Rpは、プルアップ電流源と同等にすることもできます。DRPポートはソースポートまたはシンクポートのいずれかに対応できます。つまり、両方のCCピンでRpとRdを定期的に切り替える必要があります。表1に、ソースモードでのRp要件を示します。

表1 : ソースモードでのRp要件

ソース電流能力	電流ソース	4.75V～5.5Vの抵抗プルアップ	3.3V ±5%までの抵抗プルアップ
デフォルトUSB (500mA)	80μA ± 20%	56kΩ ± 20%	36kΩ ± 20%
1.5A @ 5V	180μA ± 8%	22kΩ ± 5%	12kΩ ± 5%
3A @ 5V	330μA ± 8%	10kΩ ± 5%	4.7kΩ ± 5%

2つのUSB Type-Cコネクタが接続された後、CC1またはCC2ピンのいずれかがUSB Type-CケーブルのCCチャネルを介して接続されます。CCピンのRpとRdをモニタすることにより、USB Type-Cデバイスはソースまたはシンクが接続されているかどうかを検出し、シンクモードでの異なるRp値に基づき適切な入力電流制限 (I_{IN_LIM}) を設定します。

図3は、ソースとシンクがUSB Type-C to Type-Cケーブルを介して接続されているモデルを示しています。ここでRaは、電源供給 (V_CONN) されない場合のケーブル内のe-mark ICの抵抗です。

図3 : USB Type-Cプルアップ / プルダウンモデル ⁽¹⁾

レガシーケーブル

レガシーケーブルとは、一方の端にUSB Type-Cコネクタがあり、もう一方の端にUSB Type-Aコネクタがあるケーブルです。これらのケーブルは、USB Type-C製品とUSB Type-A製品間の相互運用性を実現します。USB Type-AポートにはCCピンがないため、USB Type-CコネクタのCC1およびCC2ピンを56kΩ抵抗を介してVBUSピンにプルアップし、デフォルトで500mAの電流能力を確立する必要があります。シンクポートは、USBバッテリー充電仕様1.2 (BC1.2) などの他のプロトコルに従って、500mAを超える電流を引き出すことができます。

異なるポートでのDRP動作

MP2722シングル直列セルチャージャには、USB Type-Cソース / シンク検出アルゴリズムと、ソースモードとシンクモードを自動的に切り替えるDRPトグルが統合されています。図4は、USB Type-C DRPポートのステートマシン図を示しています。ここで、vOpenはソース側のCCピンのオープンしきい値を表し、vRaはアクセサリがCCピンに接続されているときの電圧を表します。

図4 : DRPモード ⁽¹⁾

2つのDRPポートが互いに接続されている場合のランダムな結果を回避するために、MP2722は、Try.SRCまたはTry.SNK が有効になっていない場合、別のDRPポートに接続されたときにUSB Type-Cポートがそれぞれソースおよびシンクとして動作するように、Try.SRCおよびTry.SNKモードに対応しています。この機能は、USB Type-Cデバイスがソース (モバイルバッテリーのDRPポートなど) またはシンク (携帯電話のDRPポートなど) として機能することを強く望む場合に役立ちます。

図5は、Try.SRCが有効になっているUSB Type-C DRPポートのステートマシン図を示しています。

図5 : Try.SRCが有効なDRPモード ⁽¹⁾

図6は、Try.SNKが有効になっているUSB Type-C DRPポートのステートマシン図を示しています。

図6 : Try.SNKが有効なDRPモード ⁽¹⁾

注 :
1. 画像クレジット : USB Type-C 仕様R2.2

MP2722のその他の主な機能

MP2722は、USB Type-C DRP動作対応に加えて、レガシーケーブル検出、BC1.2対応、水分検出などの他の重要な機能を提供します。これらの機能について以下で詳しく説明します。

レガシーケーブル検出

標準のUSB Type-C to Type-Cケーブルでは、CC1またはCC2ピンが接続された後、ソース側でVBUS出力をオンにするために100ms～200msのデグリッチ時間が必要です。ただし、レガシーケーブルにはデグリッチ時間がなく、VBUSは常に有効になっています。MP2722は、レガシーケーブルに接続されているかどうかを検出し、割り込み信号を使用してホストに通知できます。

BC1.2対応

USB Type-C仕様によると、レガシーケーブルは56kΩの抵抗を介してCCピンをVBUSにプルアップする必要があります。これは、アダプタがより高い出力電流 (I_OUT) 能力をサポートできる場合でも、シンクはCC検出が適用された場合のみ、最大500mAの電流を引き出せることを意味します。MP2722はBC1.2検出をサポートし、ソースからより多くの電流を引き込み、充電時間を短縮します。

水分検出

USBコネクタ内の水分は、時間の経過とともに腐食を引き起こし、コネクタのピンが開放したり短絡したりする可能性があります。MP2722は、ソースが接続されていないときに VBUSに電流を供給することにより、USB Type-Cポートの入力インピーダンスをテストすることができます。コネクタ内で水分が検出された場合、ホストはユーザーにさらなるアクションを実行するよう警告できます。

MP2722を使用した15W、DRP USB Type-Cソリューションのプロトタイプ

図7は、15W、DRP USB Type-Cバッテリー管理ソリューションのプロトタイプであるEV2722-RH-00Aを示しています。

図7 : MP2722による15W、DRP USB Type-Cソリューションのプロトタイプ

インダクタ (L₁) は1μHで、式 (1) で計算できます。

$$L_1 = \frac {V_{IN} - V_{SYS}}{\Delta I_{L\_MAX}} \times \frac {V_{SYS}}{V_{IN}\times f_{SW}}$$

ここで、V_INは5V、システム電圧 (V_SYS) は3.7V、スイッチング周波数 (f_SW) は3.7V、スイッチング周波数 (ΔI_{L_MAX}) は5A x 20%です。

入力コンデンサと出力コンデンサは、高周波スイッチング電流リップルを吸収します。MP2722の場合、入力容量 (C_IN) は1μF、PMID容量 (C_PMID) は10μF、システム容量 (C_SYS) は20μF、電池容量 (C_BATT) は20μFです。

図8は、ソースまたはシンクが接続されていない場合のCC1およびCC2の波形を示しています。MP2722は、80msの期間にわたってRpとRdを切り替えます。

図8 : MP2722のCC1およびCC2 DRP波形

図9は、DRPモードでソースまたは負荷を接続した場合の波形です。ここで、MP2722をTry.SRCまたはTry.SNKを使用せずにDRPモードに設定し、バッテリー電圧 (V_BATT) は4V、充電電流 (I_CC) はシンクモードで2A、I_OUT制限はソースモードで3Aです。また、CC1ピンはUSB Type-CケーブルのCCチャネルに接続されています。図9aは接続された5V/3Aソース (Rp) の波形を示し、図9bは接続された1A負荷 (Rd) の波形を示します。

図9 : DRPモードでソースまたは負荷を接続した波形

図9aは、MP2722がそのCCピンでRdにトグルするときにソースが接続されていることを示しています。接続したソースがMP2722のRdを検出して出力を有効にすると、MP2722は充電を開始します。図9bは、MP2722がそのCCピンでRpにトグルするときにシンクが接続されていることを示しています。MP2722が外部Rdを検出すると、150msのデグリッチ時間後に出力を有効にします。バッテリー電流 (I_BATT) はマイナスで、バッテリーが放電していることを意味します。

MP2722を別のDRPポートに接続し、Try.SNKまたはTry.SRCを有効にした場合の波形を図10に示します。

図10 : 別のDRPポートに接続されたMP2722のTry.SNKおよびTry.SRC波形

図10aは、Try.SNKが有効なMP2722が別のDRPポートに接続されている場合に何が起こるかを示しています (詳細は図6参照)。MP2722が外部Rdに接続されると、MP2722は待機状態になります。次に、MP2722はTry.SNK状態に入り、Rdを介してCC1とCC2をプルダウンします。最後に、MP2722はバッテリーを充電するためのシンクとして機能します。

図10bは、Try.SRCが有効になっているデバイスが別のDRPポートに接続されている場合に何が起こるかを示しています (詳細は図5参照)。MP2722が外部Rpに接続されると、VINが検出されるまで待機状態になります。MP2722はCC1とCC2をRp経由でプルアップすることで、Try.SRCを起動します。外部ポートはMP2722上のRdが消失したことを検出すると、出力を無効にし、Rdを介してCC1とCC2をプルダウンします。最後に、MP2722が外部Rdを検出すると、出力を有効にしてソースとして機能します。マイナスのIBATTはバッテリーが放電中であることを意味しますのでご注意ください。

結論

従来のディスクリートソリューションと比較して、単一の直列セルチャージャを使用する統合型バッテリー管理ソリューションを設計します。MP2722は必要な外付け部品が少ないため、PCBサイズが効果的に縮小され、設計プロセスが簡素化され、設計サイクルが短縮されます。MP2722は、レガシーケーブル検出、BC1.2対応、コネクタ水分検出などの高度な機能も提供し、システムの互換性と安全性を向上させます。これらの機能により、MP2722は低コスト、15W、デュアルロールUSB Type-C充電ソリューションの構築に最適です。

詳細については、単一の直列セルチャージャ、2つの直列セルチャージャ、および3つ以上の直列セルチャージャを含む、MPSのバッテリーチャージャソリューションをご参照ください。

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