USB PDを使用して携帯機器で高速充電を実現する方法

寄稿文

Hank Cao

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今日の消費者は、ビジネスセンターやショッピングモールにいるときでも、飛行機や電車を待っているときでも、どこにいても便利かつ迅速に携帯機器を充電したいと考えています。しかしながら、非常に多くの異なる種類の充電アダプタとコネクタがあり、何のための充電器なのか、どの充電器を手に取ればいいのか、エンドユーザーを混乱させてしまいます。消費者がさまざまな携帯機器 (電話、タブレット、ラップトップなど) 用に複数の異なる充電アダプタを携帯する必要があるとすると、すぐにも対応不可能になってしまいかねません (図1を参照)。

図1: 入力ソースとアダプタ

USB Type-C (USB-Cとも呼ばれます) コネクタは、リバーシブルプラグ、高電力供給 (最高100Wまで)、Dual-Role Power (DRP) 機能 (シンクまたはソースとして機能可能)、およびより高速なデータ速度など、上記従来のコネクタ (バレルジャック、USB Type-A、Micro-Bなど) と比較して多くの利点があります。

全体として、これらの利点はUSB Type-Cコネクタをよりコンシューマ機器で使用する方向性を強化しており、広く受け入れられる標準となるかもしれません (図2を参照)。これには、消費者が充電アダプタとケーブルを再利用できるようにすることで電子廃棄物を大幅に削減するという、さらなる利点があります。

図2: USB Type-Cコネクタ

携帯機器を検討する場合、USB Type-Cコネクタのより高い電力容量は、機器のバッテリをはるかに速く充電するため、非常に重要です。多くの携帯機器で使用されていた以前のmicro USBコネクタは、最大7.5W (1.5Aで5V) の電力が可能でした。USB Type-Cを使用すると、携帯機器はこの電力の2倍最大15W (3Aで5V) でバッテリを充電できます。

標準のUSB Type-Cは最大15Wまで供給できますが、エンドユーザーが5Vのバッテリで15Wを完全に利用できることはめったにありません。これは、2つの主な要因によるものです。

1. Type-Cケーブルは最大250mΩの往復抵抗をもつことがあり、デバイスのPCBとコネクタは通常、ケーブルと直列に約100mΩの抵抗を追加します。これは、5Vで3Aを提供する15W電源は、(I x R) の低下により、最大11.85W (15W - 3.15W) の電力しかチャージャに供給できないことを意味します。
2. シングルセルバッテリのフル充電電圧は年々増加し続けるため、5V電源はチャージャICに「ヘッドルーム制限」の問題を引き起こします。バッテリが定電圧フェーズにあるデバイスについて考えてみます。15W対応の5V USB Type-Cで4.4Vで充電し、最初の例で説明した直列抵抗 (350mΩ) を備えています。この場合、電源の出力とバッテリの入力端子の間には0.6Vだけの電圧降下があり得ます。これは、利用可能な最大電流が約1.7A (0.6V/0.350Ω) であることを意味し、約7.5Wの電力に相当します。

この制限を克服するために、総直列抵抗を減らすか、電源の出力電圧を上げることができます。直列抵抗を低減するのは難しいため、USBの電力供給 (USB PD) は、最大100Wの電力を供給するために、電源の出力電圧を最大20Vまで上げる方法を提供します。

上記の制限があっても、多くの携帯機器には標準の15W USB Type-Cで十分です。ただし、スマートフォン、タブレット、ワイヤレススピーカー、モバイルバッテリ、カメラなどのデバイスには通常3000mAhを超えるバッテリが搭載されているため、USB PDを使用することでより高速に充電できます。より高い電力出力を提供するために、USB PDアダプタは、携帯機器からのコマンドに従って、出力電圧を5V以上に上げることができます。USB PDアダプタが供給できる最大電力は、電圧と電流のレベルに応じて、通常15Wから100Wの間です。

図3は、さまざまなPDアダプタ (ソース) と機器 (シンク) 間の互換性を確保するためにUSB PD規格で概説されているUSB PDソース電源ルールを示しています。ソース出力電圧は、電力定格に応じて5V、9V、15V、または20Vのディスクリートレベルである必要があり、一方最大電流は3Aです。最大電流レベルを5Aまで上げることも可能ですが、これには安全を確保するために特別な電気的にマークされたケーブルが必要です。

図3: ソースの「べき乗則」の図

USB Type-Cパワーデリバリは、Type-Cコネクタの機能を利用して、出力電圧を上げることでより高い電力を供給しながら、5Vとの下位互換性を維持してユニバーサル給電を可能にします。たとえば、シンク機器 (スピーカーなど) に必要な電力が18W (2Aで9V) しかない場合、定格が27W以上の準拠USB PDアダプタは、べき乗則に基づいてこのニーズを満たすことが保証されます。つまり、エンドユーザーはすべてのデバイスに1つのUSB PD電源を携帯するだけで済み、より便利で費用対効果が高くなります。メーカーにとって、これは、製品と一緒にボックスに電源アダプタをバンドルする必要がなくなったことを意味します。これにより、コストが削減され、電子機器廃棄が防止されるため、環境に役立ちます。

USB Type-C PDの急速充電を実現するには、携帯機器と電源の両方にPDコントローラICが必要です。PDコントローラはPDアダプタと通信して、携帯機器に必要な電力量を決定します。次に、PDコントローラは、携帯機器の負荷状態と安全障害情報をチェックします。さらに、デュアルロールポート (DRP) をサポートするPDコントローラを使用すると、消費者は、ラップトップから電話を充電するなど、携帯機器から他の機器を充電できます。携帯機器は、利便性を高めるためにモバイルバッテリのように機能します。

チャージャICは、USB Type-C PD急速給電システムを成功させるための重要な部品です。設計エンジニアは、次のことができる急速給電ソリューションを探しています。

• ユニバーサル給電を可能にしながら設計を簡素化 - 異なる給電構成と高い入力電圧で複数のバッテリ駆動機器を給電する機能
• バッテリのランタイムを延長し、最大のバッテリ容量を使用して、可能な限り最高のユーザー体験を実現
• 給電効率を改善して、チャージャIC内の電力損失を最小限に抑える
• バッテリ、システム、および入力アダプタを障害から保護

この完全なUSB PD急速給電リファレンスデザインには、ターンキーソリューションを作成するためにUSB PDコントローラとペアになっている大電流スイッチングチャージャであるMPSのMP2731が含まれています (図4を参照)。

図4: MPS USB PD急速給電ソリューション

この設計で使用されているUSB PDコントローラは、最新のUSB Type-CおよびPD規格に準拠しています。完全な機能と部品集積の利点を提供するこのようなコントローラは、携帯機器に最適です。

MP2731は、USB PD入力を利用して、3.7V～16Vの範囲の入力電圧でシングルセルバッテリに給電する集積型降圧チャージャICです。集積された部品を備えたこの降圧チャージャは、スピーカー、カメラ、POSシステム、その他の一般的なアプリケーションなど、サイズに制約のあるコンパクトなバッテリ駆動デバイスに柔軟に給電できます。

また、給電構成を柔軟にプログラムし、充電ステータスと障害を監視するためのI²Cインタフェースも提供します。超低消費電力のチャージャICは、動作中のバッテリの実行時間を延長して、アプリケーションが使用されていないときにできるだけ多くのバッテリ電力を節約します。Type-CコネクタのDRPをサポートするために、ICはバッテリを放電して、入力に最大3Aの安定化された5Vを蓄積することができます。このモードでは、Type-Cポートは、スマートフォンなどの外部機器に電力を供給できるソースポートです。給電プロセスとUSBのOn-the-Go (OTG) の稼働状況は、搭載されている8ビットのA/Dコンバータで監視できます (表1を参照)。急速充電安全タイマ、バッテリ温度監視、過電圧保護 (OVP)、過電流保護 (OCP) などの安全機能も、バッテリへの給電とシステム操作にとって重要です (表1を参照)。

表1: MP2731の給電パラメータ

MP2731は、PDの急速給電を処理するために、スイッチングチャージャ内の集積FETのRD_S(ON)を低減して、大電流でのチャージャの効率を向上させます。図5は、9V入力で3Aの充電電流で最大91％の充電効率を持つPD急速給電ソリューションの給電効率曲線を示しています。

図5: MPSのUSB PD急速給電ソリューションの給電効率

高速給電機能は大容量バッテリに対応できるため、携帯機器はますます多くの機能をサポートできます。ただし、携帯機器は通常、可能な限り小型にする必要があるため、完全に集積されたスイッチングチャージャが必要になります。MP2731は、MPSの高度なDr.MOSプロセスに依存して、ほとんどの部品を小さなQFN-26 (3.5mm x 3.5mm) パッケージに集積し、BOMコストとPCBサイズを低減します。

上記のすべての機能は、最適なUSB Type-C PD急速給電ソリューションの設計を実現するのに役立ちます。USB PD急速給電は、幅広いアプリケーションを充電する速度と柔軟性を提供し、エンドユーザーに利便性を提供します。