複数のリチウムイオン / リチウムポリマー電池向け統合ソリューション

これらの個別の部品は、複雑な設計プロセス、高い故障率、大きな基板サイズ、および高いBOMコストをもたらします。従来のソリューションには改善が必要です。

製品の品質を向上させ、故障率を減らし、設計コストを節約するには、統合ソリューションが必要です。半統合または完全統合ソリューションは、マルチセル用バッテリチャージャで従来のソリューションが直面する問題を解決し、市場投入までの時間を短縮できます。

図2は、半統合ソリューションを示しています。このソリューションでは、すべての制御ループ (保護と表示を含む) が専用ICに集積されています。これにより、補償パラメータを設計したり、複雑なコードを記述したり、複雑なPCBレイアウトを描画したりする必要がなくなり、設計プロセスが短縮されます。ただし、個別のMOSFETは依然として基板サイズの問題を引き起こします。

図2: 半統合ソリューション

完全統合ソリューションでは、伝導抵抗の低い3つのパワーMOSFETとすべての制御ループが1つのICに統合されています (図3を参照)。これにより、設計プロセスが大幅に短縮され、BOMサイズが縮小され、効率が最適化されます。

図3: 完全統合ソリューション

表1に、統合型と従来型のBOMを示します。統合ソリューション (特に完全統合ソリューション) は、基板サイズを大幅に削減します。

部品	完全統合	半集積	従来
チャージャIC	1	0	0
パワーMOSFET	0	3	3
インダクタ	1	1	1
センシング抵抗	1	2	2
専用制御IC	0	1	0
ドライバ	0	0	3
アンプとコンパレータ	0	0	いくつか (5～10)
MCU	0	0	1
大きな部品の総数	3	7	15～20

 

表1: 統合ソリューションと従来のソリューションのBOM比較

革新

マルチセル用完全統合バッテリチャージャには多くの利点があります。たとえば、MPSのMP2759は、1セルから6セルの直列リチウムイオンまたはリチウムポリマー電池パックを使用してアプリケーションに給電するために設計された、高度に統合されたスイッチングチャージャです。このICは、3つのパワーMOSFETとアナログ制御回路を3mm x 3mmのパッケージに集積しており、非常に少ない外部回路で確実かつ安全に動作できます。

完全集積の給電システム

図4に、完全統合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ます。その電力段には1つのインダクタと3つのコンデンサがあり、外付け部品が少なく、完全な給電機能が実現されます。

図4: 完全統合ソリューションの代表的なアプリケーション回路

最新のバッテリチャージャは、トリクル充電、プリチャージ、定電流充電、定電圧充電の4つのフェーズでバッテリパックに給電します (図5を参照)。すべての制御ループがICに集積されているため、給電は高速でシンプル、そして信頼性があります。

図5: 代表的な給電プロファイル

集積MOSFETの低い導通抵抗のおかげで、MP2759などの完全統合ソリューションは最大97%の高効率を誇っています (図6を参照)。これらのソリューションは、ケース温度が42.3°C上昇するMP2759のような卓越した熱特性も提供できます (図7を参照)。

図6: MP2759の効率曲線

(試験条件: L = 10μH/35mΩ、RSNS = 20mΩ)

図7: 熱特性評価

(試験条件: VIN = 36V、VBATT = 24V、ICC = 2A、fSW = 700kHz、L = 10μH/35mΩ、RSNS = 20mΩ、20分で加熱)

(基板情報: 63.5mm x 63.5mm、4層、2オンス/層)

シンプルな外部回路による機能拡張

パワーパス管理

理想的には、統合ソリューションは、システムレールへの電力を優先するために、パワーパス管理をサポートする必要があります。MP2759は、パワーパス管理にある一般的な方法を採用しています。バッテリとシステムの間に接続された外部PチャネルMOSFET (BATTFETとも呼ばれる) では、システム負荷がPMIDピンに適用され、BATTFETのゲートはINピン信号によって駆動されます (図8を参照)。

図8: パワーパス管理

入力ソースがない場合、BATTFETがオンになり、バッテリからシステムに電流が流れます。入力ソースが存在する場合、BATTFETがオフとなり、システムの電源がQ1からの入力源によって供給されます。Q1を流れる合計入力電流が、ILIMピンによって設定されたプリセット入力電流制限に達すると、給電電流が減少してシステム負荷が優先されます。

デモンストレーションとして、図9と図10に、MP2759のパワーパス管理のパフォーマンスを示す波形を示します。

 

図9: パワーパス管理の起動とシャットダウン

(試験条件: VIN = 16V、VBATT = 8V、IIN_LMT = 2A、ICC = 3A、ILOAD = 1A)

図10: IIN_LMTがパワーパス管理のプリセット入力電流制限に達した

(試験条件: VIN = 36V、VBATT = 8.48V、IIN_LMT = 1A、ICC = 2A)

MCUを使用して給電電流をリアルタイムで微調整する

多くのバッテリ駆動デバイスは、パフォーマンスを微調整するために、給電電流をリアルタイムで調整できる必要があります。これは、バッテリセルとバッテリパックのメーカーが、各セルの温度と電圧に応じて異なる給電電流制限を指定しているためです。ほとんどの統合マルチセル用バッテリチャージャは、より高価なI²Cを使用するのではなく、電流設定ピン (一般にISETピンと呼ばれる) に接続された抵抗を使用し給電電流を調整します。

1つの抵抗で給電電流を調整する一般的な方法は2つあります。

1. 抵抗を流れる電流は定電圧で読み取られます。 
2. 電流が一定に保たれている間、電圧はその抵抗で読み取られます。

方法1に基づく統合給電ソリューションを使用して、給電電流をリアルタイムで調整する方法を調べてみましょう。図11にISETピンの等価回路を示します。

図11: ISETピンの等価回路

チャージャは、ISETピンとAGNDの間の抵抗 (RISET) を使用して給電電流を調整できます。ICHG は、式 (1) で計算できます。

$$I_{CHG} = \frac{R_{CONS}}{R_{ISET}}$$

ここで、R_CONSは、I_CHG = 1Aの場合のR_ISETの値です。

等価R_ISET回路 (図12を参照) から、MCUでPWMのデューティサイクルを変更することにより、等価R_ISETを変更することができます。これにより、給電電流をリアルタイムで変更できます。

図12: 同等のRISET回路

次に、同等のR_ISET (REQ) を式 (2) と式 (3) で計算できます。

$$R_{EQ} = \frac {V_{CONS} R_1 G_{123}}{V_{CONS} G_{123} - (\frac {DUTY × V_{M\_PWM}}{R_2} + \frac {V_{CONS}} {R_1})}$$ $$G_{123} ={1 \over R_1} + { 1 \over R2} + {1 \over R_3}$$

ここで、V_CONSはISETピンの定電圧、DUTYはPWMデューティサイクル、V_{M_PWM}はPWM振幅 (通常は約3.3V) です。式 (1)、(2)、および (3) では、R_EQは0より大きくなければならないことに注意してください。それ以外の場合、I_CHGは0Aです。

完全統合システムを設計するために、標準パラメータ (R₁、R₂、R₃、C_ISET) を次の式と手順で推定できます。

まず、最大給電電流に対応する等価抵抗 (R_{MAX_ICHG}) を式 (4) で計算します。

$$R_{MAX\_ICHG} = R1 + R2 / R3 $$

次いで、式 (5) を用いて適切なR₁選択します。

$$R_{1} = 0.5R_{MAX\_ICHG}$$

R₂およびR₃は、式 (6) で計算できます。

$$ \biggl\{ \begin{array}{1} R_2//R_3 = R_{MAX\_ICHG} -R_1\\ \frac {MAX\_DUTY \space x \space V_{M\_PWM} - V_{CONS}}{R2} = \frac {V_{CONS}} {R_3} \end{array} $$

ここで、MAX_DUTYは、給電電流が0Aに低下したときの最大PWMデューティです。デューティサイクルの約80％にすることをお勧めします。

最後に、適切なC_ISETを選択して、PWM信号をDC信号に選別します。C_ISETは式 (7) で推定できます。

$$ \frac {1}{2\pi (R_2//R_3)C_{ISET}}<< f_{PWM}$$

ここで、f_PWMはPWMの周波数です。

リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池の理想的なソリューションは、給電電流とPWMデューティサイクルの間の良好な線形性と、広いデューティ有効範囲を提供する必要があります。たとえば、MP2759は0％から82％の範囲を提供します (図13を参照).

図13：給電電流 vs. PWMデューティサイクル

さらに、MP2759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14を参照)。PWMデューティサイクルが50％の場合、デバイスは通常の起動とシャットダウンを示します (図15を参照)。

a) VINスタートアップ

図14: 0.5Aと2.4Aの間の給電電流遷移

 

図15: 50% PWMデューティサイクルでの起動およびシャットダウン波形

機能 - 保護と表示

給電システムやICの場合、バッテリを保護することが重要です。安全な動作を保証するために、推奨される保護には、バッテリと入力の過電圧保護、バッテリ温度保護、サーマルシャットダウン、安全タイマ、およびバッテリ電圧に応じて給電電流を調整する機能が含まれます。完全に集積された保護回路は、そのような保護に必要なICの数を減らします。

MP2759には、入力ソースのステータスとICの動作ステータスを示すACOKピンとSTATピンがあります。設計者は、これらのピンの信号を監視して、ICが正常に給電しているかどうかを判断できます。表2は、さまざまな入力ソースと動作条件でのACOKとSTATのステータスを示しています。

IN	給電状態	ACOK	STAT
なし	NA	Hi-Z	Hi-Z
あり	給電中	低	低
あり	充電が完了し、給電が無効	低	Hi-Z
あり	NTC障害、安全タイマの有効期限、バッテリOVP	低	2Hzで点滅

 

結論

従来のソリューションと比較して、完全統合ソリューションは、非常に高い効率、多数の安全機能、低いBOMコスト、および短い設計サイクルを提供します。本稿では、MPSのMP2759を使用して、低導通抵抗の3つのパワーMOSFET、アナログ制御ループ、および保護や表示などの補助機能を含む集積ソリューションの利点を示します。このような集積ソリューションは、設計者が単純な外部回路を使用してパワーパス管理と給電電流調整をリアルタイムで実現するのに役立ちます。

 

_________________________

 

興味のある内容でしたか? お役に立つ情報をメールでお届けします。今すぐ登録を!