AN169 - MP2696Aモバイルバッテリーのリファレンスデザイン

図1に示すように、MP2696Aは逆電圧ブロッキングMOSFET (Q1)、出力ブロッキングMOSFET (Q2)、ハイサイドスイッチングMOSFET (Q3)、ローサイドスイッチングMOSFET (Q4) という4つのパワーMOSFETを内蔵しています。MPS独自の加工・実装プロセスを採用し、3mm × 3mmのコンパクトパッケージで優れた変換効率を実現します。これらのMOSFETの電圧定格はすべて最大16Vであり、5VのUSBアプリケーションで優れた信頼性を提供します。

MP2696Aは、単一のインダクタを使用して、バッテリーの充電と放電を制御しながら、豊富な保護機能で入出力ポートの電力供給を管理する降圧または昇圧型コンバータモードのいずれかで動作します。

図1 : MP2696Aの簡略化されたアプリケーション回路

動作モードの説明

デバイスの動作モードは、次の4つの条件に分類できます。

1. デバイスが省電力モードになっている間、4つのMOSFETすべてがオフになり、VCCレギュレータが動作しており、I²C通信がホストからコマンドを取得する準備ができています。この状態では、デバイスは通常、25µAのバッテリー消費電流を最小にし、保管または保管寿命の間バッテリー放電電流を最小に抑えます。

2. 充電モードでは、デバイスが入力ソース (通常はUSBポート) からの電力を利用してバッテリーを充電し、MOSFET Q1がオンになり、スイッチングMOSFET Q3とQ4がバッテリーを充電するための降圧型コンバータとして機能します。バッテリー電圧に応じて、充電フェーズはプリチャージ、定電流充電、または定電圧充電状態になることがあります。充電電流とバッテリー調整電圧はレジスタにプログラムできます。バッテリーが完全に充電されると、デバイスは充電終了モードに入り、降圧型レギュレータが停止し、MOSFET Q1はオンのままです。

充電モードには、降圧型コンバータを調整する4つのループがあります (充電電流、充電電圧、入力電流および入力電圧)。これらすべてが、供給される最大電力が設計値を超えないように、降圧型コンバータからバッテリーへの出力電力を制限することができます。

3. 昇圧型モードでは、デバイスがバッテリー電力を利用して5V (標準) 出力を生成し、MOSFET Q1がオフになり、スイッチング MOSFET Q3とQ4が昇圧型コンバータとして動作してPMIDピンに安定化電圧を供給し、出力ブロッキングMOSFET Q2 がPMID電力をSYSピンに渡します。SYSピンはデバイスの電源出力ポートであり、モバイルバッテリーとしても使用されます。

昇圧型モードでは、昇圧型コンバータを調整するPMIDノードでの出力電圧、MOSFET Q2での出力電流という2つのループがあります。それらのどれも昇圧型コンバータの出力電力を制限することができ、モバイルバッテリー出力は定電圧 / 定電流 (CV/CC) 出力ポートとして動作します。出力電圧と最大出力電流の両方をレジスタにプログラムすることができます。

4. パススルーモード。入力ソースが存在し、バッテリーを充電しているときに、ホストがMOSFET Q2もオンにすると、デバイスはSYSポートに出力電力を供給することもできます。SYS電力は入力ソースからQ1とQ2 (直列) を経由して供給されます。このアプリケーションケースは、エンドユーザがモバイルバッテリーと電話を一緒に充電できるようにするためのものです。

パススルーモードでは、バッテリーの充電電流とSYSポートの負荷電流が入力電源を共有します。SYSポートの負荷電流は携帯電話の使用量に依存するので、SYS出力が優先されます。つまり、デバイスの入力電流ループと入力電圧ループが、入力ソースが提供できる最大電力を制限することを考えると、上記の2つのループのどれかに触れると、バッテリー充電電流が徐々に減少します。なお、MOSFET Q1または MOSFET Q2は調整機能を提供しないため、SYSポートの負荷が入力電流制限を超えると、Q1とQ2はオンのままでバッテリー充電電流がゼロになるので注意しましょう。

保護

1. 入力過電圧保護: デバイスは2レベルの入力過電圧保護に対応します。デフォルト値は6Vであり、REG07hビット [3] で11Vにプログラムできます。入力 電圧が保護しきい値より高くなると、部品はスイッチングを停止します。通常のUSBベースの入力動作では、6V OVPしききい値が優れた信頼性を提供します。また、入力OVPが11Vに設定されている場合、デバイスは高い充電電流を提供できる9Vアダプタなどの高い電圧入力源で充電することができます。なお、入力OVPが11Vに設定されていても、入力が6Vを超えるとMOSFET Q2は自動的にディセーブルされます。これは、デバイスがSYSポートの負荷に危険を及ぼすかもしれないSYSポートへの高電圧供給を防止します。

2. SYSポート短絡保護: 昇圧放電またはパススルーモード中、SYSポートは電力出力を供給します。SYSノードに激しい短絡がある場合、デバイスの損傷を防ぐために、MOSFET Q2がオンである限り、高速短絡保護は常に有効です。高速短絡保護しきい値は、8Aという比較的高い値に設定されています。MOSFET Q2の電流がこのしきい値に達すると、MOSFET Q2はすぐにオフになります。そして300msのヒカップ時間の後、 MOSFET Q2は再び起動しようとします。

機能と設計

MPPTによる充電速度の最大化

モバイルバッテリーの入力源は通常、USBポートからです。バッテリー充電仕様Revision 1.2 (BC1.2)、 USB Type-C仕様、または一部のベンダー独自仕様で定義された、異なるレベルの最大出力電流を提供する複数の種類のUSBポートがあります。これらのUSBポートの始動電圧は常に5V (標準値) であり、その能力に応じて出力電流制限を提供します。MP2696Aのリファレンスデザインでは、バッテリー充電速度を最大化するために、最大電力点追従 (MPPT) が便利な方法として選択されています。

MCUの制御を使用したMPPTアプローチを以下に示します。

1. ホストはI_CC電流設定を500mAに、I_{IN_LIM}を3000mAに、V_{IN_MIN}を4.65Vにプリセットします。

2. 入力ソースが接続されている場合、USB1_PLUG_IN (REG05hビット [1]) は割り込み (INT) パルスで1に設定され、自動的に充電が開始されます。

3. CHG_STAT = 10 (REG05h BIT [5:4]) の場合、ホストはI_CCを、1秒あたり100mA増加しようとします。

4. 入力ソースがV_{IN_MIN}のしきい値まで低下すると、V_{PPM_STAT} (REG05hビット [3]) はINTパルスで1に設定されます。ホストは ステータスをモニタするためにREG05hを読み続けることも可能です。

5. ホストは、V_{PPM_STAT} (REG05hビット [3]) が0に戻るまで、125ミリ秒ごとに100mAずつI_CCを低減し、その後デバイスはそのI_CC値でバッテリーを充電し続けます。

6. ホストは10秒ごとに#3～#5を繰り返します。

7. 入力ソースのプラグが抜かれたり (USB1_PLUG_IN = 0、REG05hビット [1])、または充電が終了したりすると (CHG_STAT = 11、REG05h ビット[5:4])、ホストは I_CC設定を500mAにリセットします。

上記のアプローチでは、モバイルバッテリーは入力源が提供できる最大電力を引き出し続けます。最大入力電流は、I_{IN_LIM}レジスタに設定されており3Aを超えないため、USBレセプタクル、プラグ、ケーブルを安全にし、複雑なプロトコル設計を必要とせず、各種USBポート間の互換性も良好です。

バッテリー温度管理

二次電池の中で、リチウムイオン電池は高い体積エネルギー密度と重量エネルギー密度を提供し、低い自己放電率と高い瞬間放電能力も持っています。しかし、化学物質をベースにした部品なので、温度はバッテリーの安全な動作、特に充電の進行中に重要です。報告されているリチウムイオン電池の熱暴走結果の火災または爆発は、モバイルバッテリーの設計では間違いなく避けるべきです。熱に関連する安全性の問題を適切に管理するために、電子情報技術産業協会 (JEITA) のガイドラインなどの業界標準が進歩しています。

バッテリーの表面温度が冷却しきい値 (例として10°C) より低くなると、高充電電流はリチウムイオンの永久的な損失を引き起こし、バッテリーの劣化を早める可能性があります。したがって、推奨されるアプローチは、この温度領域では充電電流を低減することです。温度がさらに低温しきい値 (例として0°C) 以下に低下した場合、図2に示すように充電を許可してはいけません。

電池の表面温度が暖かいしきい値 (例として45°C) より高くなると、カソードの材料はより活性化し、バッテリー電圧が高いときに電解液と化学的に反応する可能性があり、バッテリーを劣化させることもあります。推奨されるアプローチは、この温度領域で充電電圧を下げることです。温度がさらに高温しきい値 (例として60°C) を超えて上昇している場合、図3に示すように、バッテリーの熱暴走を防止するために充電を許可してはいけません。

図2 : JEITAプロファイル – 充電電流

図3 : JEITAプロファイル – 充電電圧

MP2696Aは、完全にカスタマイズされたJEITAプロファイルを提供します。バッテリー温度はVRNTC出力によって駆動されるサーミスタによって検知できます。デバイスがスイッチングしているとき、VRNTCは抵抗分圧器でサーミスタにバイアスをかける電圧を出力します。NTCピンの電圧は、バッテリー温度を検出するための内部しきい値と比較されます。このデバイスは、温度がホットまたはコールドのしきい値から外れている場合に自動的に充電を停止したり、COOLまたはWARMレジスタの設定値に従って充電電流または充電電圧を低下させたりすることができます。NTC機能はEN_NTCおよびREG01hビット [2] でイネーブル / ディセーブルが可能で、JEITA機能はJEITA_DIS、REG02h ビット [3] でイネーブル / ディセーブルが可能であり、JEITA温度しきい値および充電電流 / 電圧低減の大きさはREG08hで調整できます。

出力ポートのオン / オフ制御

SYS出力は出力USBポート用で、携帯電話などの外部負荷に電力を供給します。電話機が接続されているときは出力USBポートが5Vの供給を開始しますが、モバイルバッテリーがアイドルモードのときのバッテリーの放電を最小限に抑えるために、何も接続されていないときは昇圧型コンバータと出力USBポートがオフ状態になっている必要があります。MP2696Aは、ホストの介入によってこれらの機能を管理するために内蔵された負荷検出機能を提供します。

アイドルモード時、レジスタビットUSB2_EN_PLUG, REG04h BIT [1] がイネーブルされると、 BATTピンとSYSピンの間に抵抗 (代表値1.5kΩ) が接続されます。SYSノードに負荷がないため、このSYSフロート電圧はバッテリー電流を消費しないため、このSYSピンコンデンサをバッテリー電圧と同じになるまで充電します。SYSピン電圧がバッテリー電圧の90%まで充電された後、バッテリー電圧の75%のコンパレータがイネーブルになります。この状態で、MP2696AはSYS負荷がつながれたイベントを検出する準備ができています。

電話などの負荷をSYS USBポートに接続すると、負荷の電流消費や負荷の入力容量により、SYSノードのフローティング電圧が引き下げられます。これにより75%コンパレータがトリガーされ、MP2696Aはこれを検出してUSB2_PLUG_IN、REG04hビット [0] を1に設定し、INTピンに割り込みパルスを出力します。REG04hを読み込んで割込みに応答するホストはこのイベントを知り、BOOSTとMOSFET Q2をオンにしてSYS電力出力をイネーブルにすることができます。

一度セットされると、USB2_plug_inビットは75%コンパレータの状態に関係なく1に維持されます。ホストがこのビットを0にクリアするには、1を書き込む必要があります。

ホストがBOOSTとMOSFET Q2をイネーブルした後、ホストはUSB2_EN_PLUGビットに0を書き込み、検出とBATT-SYS抵抗をディセーブルにする必要があります。この状態では、MP2696AはSYS出力を供給し続けます。

SYSポート出力は、バッテリーが消耗していないかぎり動作し続けますが、負荷が接続されていないか電力を消費していない場合は、バッテリーの消費電流を節約するために、モバイルバッテリーをアイドルモードに戻す必要があります。MP2696Aはこれを達成するために無負荷検出コンパレータを内蔵しています。

MOSFET Q2に流れる電流はQ2がイネーブルされているときにモニタされ、Q2の電流は、30mA～100mAの幅のNOLOAD_THRビット、REG07hビット [7:6] でプログラムされたしきい値と比較されます。Q2の電流がコンパレータの値より小さい場合、INTピンに割り込みパルスが続き、NO_LOADビットのREG03hビット [0] が1に設定されます。ホストはREG03hを読み取ることでこれを確認でき、負荷がない状態が存在する場合はタイマーをイネーブルにできます。無負荷状態が20秒間続く場合、ホストは昇圧とMOSFET Q2をオフにしてアイドルおよび省電力モードに入ることができます。

アイドルモードに入った後、ホストはUSB2_EN_PLUGビットを再度イネーブルにして、次のプラグインイベント検出をイネーブルにすることができます。

充電モード中は、SYSロードプラグイン検出も効果的です。ホストはSYSプラグインのイベント情報を取得し、昇圧とMOSFET Q2をオンにすることもできます。入力が存在するときに昇圧がイネーブル (BST_EN=1) の場合、MP2696Aは充電モードで動作し続け、昇圧は無視されます。この場合、デバイスはパススルーモードで動作し、バッテリーが充電され、SYSポート電圧が入力ソースから供給されます。

BST_EN = 1の場合、入力ソース電圧が抜かれ、INピン電圧が2V未満に低下したときにのみ、昇圧が自動的に開始されます。

また、MP2696Aは充電モードと昇圧モードのシームレスな移行に対応していため、入力が抜かれると、SYS出力で数十ミリ秒の低下が発生しますのでご注意ください。

出力信号

SYS出力はUSB出力ポートとして携帯電話などの外部負荷に電力を供給します。携帯電話には通常、USBポートのタイプと出力機能を区別して電力消費の制限を決定するプロトコルがあります。例えば、携帯電話はポートをコンピュータのUSBポート (SDP) と専用充電ポート (DCP) を区別して入力電流制限を設定できます。MP2696Aは、適切なUSBポートを模倣するためにDP / DMピンに出力信号を統合して、負荷充電速度を最大化できます。

SYS出力がホストによってイネーブルされると、DP / DMピンはそれぞれ30kΩの抵抗を介して2.7Vの内部出力バッファに接続されます。これはApple 2.4Aアダプタを模倣しており、Appleデバイスが接続されている場合、そのデバイスは最大速度で充電できます。

Androidデバイスが接続されている場合、そのデバイスはUSBポートの種類を区別するためにBC1. 2の処理を開始します。MP2696AのDP / DMピンは、負荷デバイスのBC1.2要求を検出し、DP / DMピンが100Ωの抵抗で接続された専用の充電ポート (DCP) に切り替えることができます。したがって、Androidデバイスはまた、その最大速度で充電することができます。

DPおよびDMピンは、8000Vの人体モードESDレベルで強化されるように設計されており、物理的なポートのレセプタクルに接続すると優れた信頼性を提供します。

最大放電電力

デバイスが昇圧放電モードで動作している場合、SYSポート出力は定電圧 / 定電流 (CV / CC) 出力として機能します。SYSポートは、安定化出力電圧 (5V調整可能) と最大出力電流制限 (2.1A～3.6A調整可能) を提供します。SYSポートの負荷が 出力電流の制限に達すると、SYS出力電圧は低下し、出力電流はあらかじめ設定された制限内に維持されます (CC動作)。ただし、SYSポートの電力はバッテリーからの昇圧によって生成されるため、CC動作幅はバッテリー電圧よりも高くなければならなりません。出力電圧がバッテリー電圧を下回ると、昇圧出力は停止し、ヒカップ動作になります。しかし、この5Vからバッテリー電圧領域は、通常、有効な出力定電流 (CC) 動作には十分です。

最大出力電流はレジスタ設定 (IOLIM) だけでなく、スイッチングMOSFETの最大電流によっても制限されます。ローサイドスイッチングMOSFET Q4にピーク電流制限があります (5A～6.5Aにプログラム可能)。MOSFET Q4の電流は、このハードリミットでサイクルごとに制限されます。バッテリー電圧が低い場合、最大放電電力はこのピーク電流によって制限されます。

$$ I_{\text{discharge_MAX}} = I_{\text{peak_MAX}} - \frac{\Delta I_{\text{inductor}}}{2} $$

ここで、I_{peak_MAX}はMOSFET Q4のピーク電流制限、ΔI_inductorはピーク・ツー・ピークインダクタ電流リップル、I_{discharge_MAX}は最大バッテリー放電電流です。BST_IPKビット、REG07hビット [1:0] を設定することにより、最大バッテリー放電電流をプログラムすることができます。

この設定の利点は、バッテリー電圧が低いとき、最大放電電力を制限することができ、これによりバッテリーの熱上昇も制限し、モバイルバッテリーの熱性能 (ユーザーエクスペリエンス) も向上し、バッテリーの劣化速度も抑えられることです。この状態では、最大出力電流がIOLIMビットでプログラムされた値に達しない場合がありますのでご注意ください。

SYSポートケーブル降下補償

SYSポートは通常、USBケーブルを介して外部デバイスに電力を供給するためのUSB出力ポートです。MP2696AはSYSポート出力電圧のPMID電圧を調整していますが、USBケーブルは抵抗による電圧降下があるため、ケーブル内の電流が増加するにつれて負荷装置のUSBレセプタクルの電圧が低下し、負荷デバイスの充電速度が制限される場合があります。MP2696Aは、ケーブル補償オプションを統合することにより、この性能を向上させる便利な方法を提供します。RSYS_CMPビット、REG03hビット [3:1] にプログラムされ、MOSFET Q2に流れる電流を検出し、SYSポートの出力電流に応じてPMID調整電圧を直線的に増加させます。方程式は次のとおりです。

$$ V_{\text{PMID}} = V_{\text{BOOST}} + \left( I_{\text{SYS}} \times R_{\text{SYS_CMP}} \right) $$

ここで、V_BOOSTはREG04hビット [7:5] で設定された無負荷出力電圧、I_SYSはMOSFET Q2の電流、R_{SYS_CMP}はREG03hビット [3:1] で設定された補償の大きさ、V_PMIDはPMIDピンの調整電圧です。SYSケーブル補償機能を良好にするために、R_{SYS_CMP}の値を各設計に応じて設定することができます。

部品の選択

MP2696Aは外付け部品の値にあまり影響されません。一般的なガイドラインは以下のとおりです。

1. 1µHのインダクタをほとんどのアプリケーションで利用可能です。インダクタの飽和電流または熱制限電流は、インダクタのピーク電流 (例えば6.5A) よりも高くなければならなりません。

2. すべての入力ポートの容量制限を考慮して、1µFのコンデンサをINピンに配置し、残りの容量をPMIDピンに配置します。

3. SYSポートの出力コンデンサには、かなり自由度がありますが、あまりにも多くの静電 容量がSYS負荷プラグイン検出機能に影響を与える可能性があり、ケースバイケースでテストすることを推奨します。

4. 電流検出抵抗はASA10mΩ抵抗0805パッケージを推奨します。電流検出信号はケルビン検出トレースで配線する必要があることにご注意ください。

PCBレイアウトとEMIの問題

PCBレイアウトは、適切な動作を行うだけでなく、モバイルバッテリーのEMI性能と大きな関係を持っています。最良の結果を得るために以下のガイドラインに従ってください。

1. PMIDコンデンサの配線。ポイントは高周波スイッチング電流の「ホットループ」を最小化することです。図4に示すように、ハイサイドスイッチングMOSFET Q3とローサイドスイッチングMOSFET Q4はスイッチングブリッジを構築します。スイッチング過渡の間、スイッチングMOSFETを通過する電流は超高速の電流変化速度 (di/dt) を有し、この高速変化電流はPCBおよび空間に磁場を誘導し、EMI発生源になります。di/dtはナノ秒単位であり、豊かな高調波成分を持っています。最も重要なことは、この急速に変化する電流をPCB上で可能な限り小さな領域に制限することであり、図4に示すループを最小限に抑えることです。つまり、PMIDコンデンサのプラス端子をできるだけ短くPMID端子に接続し、PMIDコンデンサのマイナス端子をできるだけ短くPGND端子に接続します。実際のアプリケーションでベストな方法は、スイッチングブリッジをローカルにバイパスするために1206サイズのPMIDコンデンサを使用することであり、SWトレースはPMIDコンデンサの下に配線することができます。上記の方法が実現できない場合、2番目の選択肢は、PMIDコンデンサのグランドノードをICのPGNDピンに接続するためにビアを使用することです。これには十分なビアが必要であり、電流のルートはできるだけ短くする必要もあります。参考として、EV2696A-Q-00Aの資料をご参照ください。

2. ノイズの多いPGND平面の最小化。上記のPMIDコンデンサのローカルバイパス方法でも、PGND面はPCB上の平穏なグランドと比較してノイズが多いため、PGND面を最小化してPCBグランドプレーンから絶縁することが推奨されます。これは「開口部」でのノイズを制限するのにも役立ちます。

3. AGNDをICの下のPGNDに直接接続することは推奨されません。AGNDピンを目立たないPCBグランドプレーンに接続することを推奨します。

4. EMI性能を向上させるために、スイッチングノードスナバや磁気ビーズなどの追加部品を追加することができます。1nF/2.2Ωのスナバを開始値として試すことができます。スナバをPGND平面に配線し、スナバがICの熱上昇を直接増加させるのでご注意ください。

5. 磁気ビーズは通常、SYSポートが放電しているときのEMI性能に役立ちます。磁気ビーズの位置は図5に示すように推奨されます。通常、Bead1は最初の試行に十分であり、Bead2はさらなる向上のためのPCBスペースの確保用にも推奨されます。使用しない場合は0Ωの抵抗で短絡できます。

図4 : ホットスイッチングループ

図5 : 磁気ビーズの位置

MCUコーディング

MP2696AはMCU制御に優れた柔軟性を提供し、EV2696A-Q-00Aにはリファレンスコードが組み込まれています。MCUコードEV2696A-Q-00AについてはMPSにお問い合わせください。

簡略化されたコーディングフローチャートを以下に示します。

MP2696Aコードフローチャート

結論

MP2696Aは、高性能、高信頼性、使いやすいモバイルバッテリー設計のターンキーソリューションです。バッテリーの充電と放電のための堅牢な電力段、およびモバイルバッテリーを構築するために必要なすべてのアナログ / デジタル機能を提供します。

追加資料

MPSバッテリー管理製品の詳細については、こちらのページをご覧ください。

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