ポータブルおよびバッテリ駆動アプリケーション向けに最適化された機能を備えた、高電力、完全集積、同期整流昇圧コンバータ

Jing "Mirror" Yang、シニアプロダクトマーケティングエンジニア、MPS
Panyin Liu、システム アプリケーション マネージャ、MPS

はじめに

リチウムイオン電池は高エネルギー密度、軽量、メモリ効果なし、自己放電が少ないなどの優れた特性により、携帯機器アプリケーションでは非常に一般的なオプションです。ほとんどのリチウムイオン電池の電圧変動は4.2V (完全充電) から3.0V (完全放電) の範囲であり、ポスト回路入力電圧は最大12V以上であるため、携帯機器アプリケーションでは、昇圧トポロジを備えたICが必要です。 Bluetoothオーディオ、急速充電モバイルバッテリ、ポータブルPOSシステムなどの携帯機器アプリケーションでは、外付けMOSFETを備えたディスクリートコントローラ、外部ダイオードを備えた非同期整流昇圧コンバータなど、市場で入手可能なさまざまな昇圧製品を使用していますが、入出力電圧範囲または機能が限られています。(図1を参照)。これらのソリューションは、より多くのスペースを占有し、効率を下げ、より多くの部品を必要とし、ノイズと信頼性の面から性能を妥協します。

MPSのMP3432は、2.7Vの低い入力電圧から動作し、0.8V～13Vの動作入力電圧、最大16Vまでの出力電圧をサポートします。さらに、MP3432は、2つの同期整流MOSFETを内蔵し、最大21.5Aのプログラマブルスイッチング電流制限、1セルバッテリからの最大30Wの負荷電力、パルススキップモード (PSM) 動作時のパススルーモード、さまざまな動作モード、QFN (3mm x 4mm) パッケージでの高電力密度など、最適化された機能を備えています。

図1: リチウムイオン電池を使用した携帯機器アプリケーション

小型、高出力密度

MP3432は、MPSの最新のプロセス技術、高度な回路設計技術、およびパッケージング技術を活用して、小型の6.5mΩおよび10m R_DS(ON)のパワーMOSFETを集積することにより、非効率でかさばる外部ショットキーダイオードを必要としません。MP3432は、4.2Vの入力電圧で最大97%のピーク効率を達成し、主要な動作範囲で85%を超える優れた熱性能を実現します (図2および図3を参照)。

3mm x 4mm x 0.9mmのQFNパッケージでありながら、MP3432の電力密度は40.9KW/inch³で、30Wクラスで最高電力密度をもつ商業用昇圧コンバータの1つとなっています。さらに、MP3432は、コンスタントオフタイム (COT) 制御トポロジーを採用しており、高速過渡応答を提供し、出力容量を低減し、全体的なソリューションサイズの低減にさらに貢献します。

図2: PSM vs 負荷電流におけるMP3432の効率

図3: MP3432の熱性能

改善されたパフォーマンスと信頼性

バッテリ駆動のBluetoothオーディオ・アプリケーションでは、オーディオ品質が重要であるだけでなく、バッテリの寿命も重要です。MP3432のMODEピンは、軽負荷状態でのPSM、強制連続導通モード (FCCM)、超音波モード (USM)の選択をサポートします。MP3432は、PSMで高効率を実現し、FCCMで非常に小さなV_OUTリップルを生成し、USMでの可聴ノイズを防止することができます。

MP3432は、プログラム可能なスイッチングピーク電流制限を使用して、さまざまなアプリケーションに対して正確な過負荷保護を提供します。 ピーク電流制限は、ILIMピンの抵抗を介して正確にプログラムでき、式 (1) で計算できます。   (1)

ここでR_ILIMはILIMでの抵抗です。この抵抗により、MP3432のピーク電流は4Aから21.5Aまでプログラム可能です。各サイクルにおいて、内部電流検出回路がローサイドMOSFET (LS-FET) 電流信号を監視します。検出された電流が設定電流制限に達すると、LS-FET Q1はオフになります (図4を参照)。

図4: MP3432は正確な入力ピーク電流制限を提供

プログラム可能なピーク電流制限は、多くのアプリケーションでさまざまな要件を満たすことができます。図5は、MP3432が最大電力で出力電圧を迅速に給電でき、出力電圧がより高い値に移行しても過渡にはオーバーシュートがないことを示しています。

テスト条件 : VIN = 4.2V、Vout = 4.5V/1Aa15V/1A、Ilimit = 10A

図5: MP3432の出力電圧過渡電流

MP3432は、MODEピンをlowに設定することで、パススルーモード (PSM) で動作できます。PSMでは、V_INがVOUT_SETより高い場合、MP3432はオートパススルーモードになります。このモードでは、ハイサイドMOSFET (HS-FET) が常にオンになり、LS-FET は常にオフになります (図6参照)。パススルーモードでは、V_INがVOUT_SETよりも高い場合に、HS-FET ボディダイオードによる電力損失を防止します。 図7は、PSMでパススルーモードを使用せず、ボディダイオードが動作している場合の、同様のICでV_INがV_OUTよりも大きい場合のパフォーマンスを示しています。

テスト条件: VIN = 6Va12V、Vout = 9V / 1A

図6: MP3432のPSMでのパススルーモード

テスト条件: VIN = 6Va12V、Vout = 9V / 1A

図7: PSMでパススルーモードのない別のデバイス

パススルーモードはBluetoothスピーカーで非常に便利です。昇圧コンバータの出力電圧は、Bluetoothスピーカーのオーディオ信号に直接比例する必要があります。オーディオ信号またはエアフローが非常に小さい場合、昇圧スイッチング電力損失を節約するために、出力電圧をV_INの低い値に低下させる必要があります。ただし、従来のソリューションでは、高出力昇圧スイッチングモードしかサポートできません。これにより、小さなオーディオ信号で音質が悪くなる可能性があります。古いソリューションのボディダイオードが機能しても、効率と熱性能は最適ではなく、最悪のシナリオでは、ボディーダイオードの温度上昇による高負荷電流でパワーMOSFETが損傷します (図8を参照)。しかし、MP3432はパススルーモードで動作し、高温や損傷の問題なく煙を出さず、優れた音質を提供します。図9は、PSMでパススルーモードを使用しない別のデバイスで V_OUTがV_INと等しくなり、ボディダイオードが動作しているときのパフォーマンスを示しています。

テスト条件: VIN=8V、Vout=15Va8V/1A

図8: PSMでのMP3432のパススルーモード、V_OUT減少

テスト条件 : VIN=8V、Vout=15Va8V/1A

図9：PSMでのパススルーモードがない別のIC、V_OUT 減少

結論

MPSのMP3432は、バッテリ駆動システムの第一段階に最適です。MP3432は、携帯機器アプリケーション用のバッテリ入力ターゲットからシステムに30～40Wの電力を供給でき、スタンバイモードとアイドルモードで可能な限り低い電力を消費しながら、非常に低い電流レベルで高効率を提供し、その結果、バッテリ寿命とアプリケーションの動作時間が長くなります。MP3432はあらゆる負荷範囲で優れた性能を発揮し、今日市場に出回っている携帯機器用ソリューション向けの最も効率的で広範な製品ポートフォリオを提供します。

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