リチウムイオン電池用給電制御ICの選択方法

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リチウムイオン電池の父と考えられるジョン・B・グッドイナフは、パイオニアとしての業績で2019年にノーベル化学賞を受賞した際、最も年長のノーベル賞受賞者でした。今日、リチウムイオン電池は、電子機器を軽量で長時間動作させるため、ほとんどの消費者にとって生活のあらゆる面で利用されています。たとえば、ほとんどの携帯電話は、より長いランタイム、ポータビリティ、便利な充電のために、リチウムイオン電池に依存しています。

最大限に活用するには、リチウムイオン電池に効率的に給電することが重要です。

リチウムイオン電池への給電方法

まず、リチウムイオン電池への給電プロセスを分析してみましょう。給電プロセスは、トリクル充電、プリチャージ、定電流充電、定電圧充電の4段階に分けることができます。図1は、一般的なリチウムイオン電池の充電曲線を示しています。

図1: リチウムイオン電池充電曲線

シンプルなようですが、バッテリ給電ソリューションを選択する際に考慮すべき多くのパラメータがあります。図2に、ソリューションを選択する際の4つの主な考慮事項を示します。

図2: バッテリチャージャの設計 - 主な考慮事項

これらの考慮事項については、以下で詳しく説明します。

トポロジー

バッテリ給電システムの設計者は、入力電圧範囲、バッテリ構成、給電電流、およびその他のシステムレベルの優先順位に基づいてトポロジーを選択する必要があります(図3を参照)。

図3: バッテリチャージャのトポロジー

たとえば、ほとんどの携帯機器はUSBポートから充電します。主に次の2つのUSBタイプがあります。

USB Type-A: 通常、最大1.5Aで5Vで、このUSBタイプは最大12Vの高速給電 (他の規格の中でも) に対応できます
USB Type-C: 最大3Aで5V。USB-PDがサポートされている場合、これは5Aで20Vに増やすことができます

機器がUSBポート経由で充電される場合は、常に5V動作をサポートする必要があります。たとえば、直列バッテリ (最大 VBATT ≥ 8.4V) の場合は、昇圧または昇降圧トポロジーを使用します。機器がUSBポートから充電されない場合は、入力電圧が常にバッテリ電圧を超えるため、降圧トポロジーを使用することをお勧めします。

制御ループ

バッテリ管理ICの主な課題は、複数の制御ループを備えていることです。入力電圧と電流を管理する必要があるだけでなく、システムの電源、バッテリ給電電流と電圧、バッテリ温度、およびその他のパラメータも管理する必要があります (図4を参照)。たとえば、システムは多くの場合、バッテリの温度に応じてバッテリ給電電流を調整する必要があります。

図4: バッテリチャージャICのさまざまな制御ループ

パワーパス管理

パワーパス管理制御ループは、入力ソース電流能力とシステム負荷電流要件に基づいて、バッテリ給電電流を動的に調整します。これにより、バッテリ給電時に余ってしまう電力を使用しながら、システムが必要な電力を受け取ることができます。

図5: バッテリ給電システムのアーキテクチャ

バッテリチャージャの機能に応じて、3つの代表的なアーキテクチャがあります。

最初のアーキテクチャでは、バッテリを直接システムの供給部分につなげます。バッテリ電圧はシステムが稼働するための最小電圧に到達する必要があります。

2つ目は、外部スイッチを使用してバッテリ給電とシステムパスを管理するパススルーアプローチです。

3つ目のアーキテクチャはNVDC（Narrow Voltage Direct Charging）パワーパス管理です。これは、前の2つのアーキテクチャに比べ、次のような利点を持つ一般的なアプローチです。

バッテリ電圧が低い場合でも、システムは即座に起動できます
システム電圧はバッテリ電圧に密接に追従し、システム部品の電圧ストレスを低減します
入力電力が制限されている場合、バッテリはシステムを補うことができます
システムをバッテリから取り外して、トランスポートモードをサポートできます。

図6は、NVDCチャージャの給電曲線の動作を示しています。

図6: NVDC機能付きリチウムイオン給電カーブ

バッテリ電圧が比較的低い場合、システム電圧は最低の動作点で安定化されます (図6のVSYS_REG_MIN)。バッテリ電圧がVSYS_REG_MINに近づくと、バッテリ電圧とシステム電圧が互いに密接に追跡されます。したがって、バッテリの状態にかかわらず、システム電圧は常に狭い範囲で維持されます。図7に、実世界のスコーププロットを示します。

図7: 代表的な給電曲線 (作業条件: V_IN = 16V, V_BATTから立ち上がり、ICHG = 1.84A、I_SYS = 1A)

逆動作

上記のバッテリチャージャの動作では、入力ソースを使用してバッテリを給電するか、システムに電力を供給しています。USB On-the-Go (OTG) 機能など、逆方向での動作も可能です。USB OTG機能を備えたバッテリチャージャを使用すると、ICの内蔵バッテリがICの入力ポートを介して他のICに電力を供給することができます。