MP3424 単三電池の降圧ソリューション

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単三電池から5Vに昇圧

単三電池1本は、ポータブル低電力アプリケーションに非常に便利な電源です。一般的な単三電池の容量は、2アンペア時で2Aを超えるピーク電流を供給できます。電池は通常、完全に充電されると1.5V、放電されると0.9Vまで供給できます。これには、100mΩから120mΩの間の内部抵抗降下は含まれません。その電圧範囲を3.3Vまたは5Vの安定化電圧に変換するために、低い入力電圧から起動して動作するように設計された多くのDC/DC昇圧コンバータがあります。これらのICには同期スイッチがあるため、ローサイドスイッチでインダクタをオンにすることができます。次に、ハイサイドスイッチが蓄積されたエネルギーを出力容量と負荷に転送します。

単三電池の昇圧コンバータの一例はMP3414で、これは3.3V出力に昇圧できる1.5Aローサイドスイッチと、0.9Vの最小バッテリ入力からでも3.3V、400mAの負荷に昇圧できます。図1にMP3414回路を示します。同期ハイサイドスイッチは、回路内のディスクリートダイオードを代替し、短絡および障害状態での電流制限と入出力絶縁も提供します。

図1: 同期昇圧コンバータの回路図

MP3414はスタンドアロンの単三電池1本または3.3Vに適したソリューションですが、最大出力電圧は4.0Vに制限されており、スイッチング電流制限 (1.5A) はバッテリが供給できる最大電流を下回っています。

より高い出力電圧および負荷アプリケーションの場合、入力電圧範囲が制限される場合がありますが、より高い最大電流および電圧仕様の昇圧DC/DCコンバータがあります。たとえば、MP3424のスイッチ電流は最大9.5A、出力電圧は5.5Vです。また、最小2.0Vの起動電圧と最小1.6Vの動作電圧を持っています。これらの仕様から、MP3424はシングルセルの単三電池アプリケーションには適していないようです。ただし、特別な回路技術とシステム設定により、有用なソリューションが可能になります。

高出力の単三電池昇圧回路

昇圧コンバータ回路により、スイッチングパワーパスを入力バイアスから分離することができ、低電力の補助電源を使用することで、大電流昇圧設計が可能になります。図2は、スイッチング電流パスを入力バイアスから分離する回路を備えたMP3424を示しています。

図2: シングルセル、大電流昇圧コンバータ

MP3424の入力ピンとイネーブルピンはほとんど電流を消費せず、起動後に出力が3Vを超えて安定化されると、デバイスは出力からバイアスされます。これは、そのバイアスの2次電源が、小型の3Vリチウム電池、2次DC/DCコンバータ、または単三電池を使用するチャージポンプICである可能性があることを意味します。

MP3424には最大9.5Aの高いスイッチング電流制限がありますが、調整可能な最大出力電流を生成する電流検出回路があります。単三電池の内部抵抗により、ピーク電流は最大約3A、0.9V入力で約2Aに制限されます (0.7Vの実際の入力に対して0.1Ωx2A= 0.2VのESR損失)。RSENSEは、式 (1)で計算できます。

$$I_{OCL} = V_{OCL} / R_{SENSE}$$

ここで、IOCLは出力定電流制限であり、VOCL = 30mVです。

400mAの電流制限のために、RSENSEは0.075Ωです。ICの負荷が電流制限まで増加すると、ピークスイッチング電流はその電流を維持するように制限されます。これは、5V出力で約3Aです。その結果、出力電圧が低下し始めます。単三電池が安全なピーク電流を維持し、一方で出力電圧はより低い定電圧にとどまります。負荷が増加すると、出力は最終的に入力を下回り、ハイサイドMOSFETは負荷に電流を流します。VOUTが予想出力の50%を下回ると、デバイスは短絡制限に入り、シャットダウンし、40μsごとに再試行します。

優れたポータブルパルス電源

定電流機能は、携帯機器での断続的なピークパルス電力のニーズに役立ちます。多くのアプリケーションでは、センサ、プロセッサ、およびメモリを短時間動作させたあとシャットダウンすることを繰り返す必要があります。このプロセスは、1秒あたり数百回から1秒あたり1回までのどこでも繰り返すことができます。必要な電力は単三電池1本のピーク能力を超える可能性があるため、別のソリューションは、より高い電圧に昇圧し、バーストの間にコンデンサに電荷を蓄積することです。これにより、コンデンサはバースト中に放電してから再充電できます。

図3に、ピークパルス電力システムのアプリケーション例を示します。

図3: ピークパルス電力システム

このアプリケーションでは、負荷は100μsの間5Wで一定であり (IR LEDなど)、初期電圧は5Vで、1.0msごとに繰り返されます。MP3424は単三電池1本を昇圧し、1.5μHのインダクタを備えています。220μFの電解出力蓄積コンデンサがあります。スイッチング周波数は580kHzに固定され、出力電流制限は一定の0.3Aに設定され、出力コンデンサを充電します。放電容量性ソースで一定の5Wを供給すると、放電曲線が得られます (図4を参照)。シミュレートされた曲線には、コンデンサの30mΩ直列抵抗が含まれています。

図4: 放電曲線

MP3424は放電時間中に昇圧できますが、この例ではMP3424が無効になっており、負荷電流はコンデンサによってのみ供給されることに注意してください。出力は定電力であり、負荷への電源電圧が低下しているため、コンデンサからの電流は時間とともに増加します。放電後のコンデンサの電圧は約4.5Vです。

コンデンサは、300mAの定電流出力でMP3424を有効にすることによって充電されます。dt = C x dV / Iを使用すると、再充電時間は (220e - 6 x 0.5) / 0.3 = 367μsと計算されます。これにより、コンデンサは5Vに戻り、1msのサイクルタイム内に余裕ができます。出力が5.0Vに達すると、MP3424は低負荷電流パルス周波数変調 (PFM) モードに変わり、バッテリの消耗を減らします。MP3424の電流制御は、充電サイクル中にピークバッテリ電流を約1.5Aに維持し、ESRによるバッテリ電圧の過度の低下を防ぎます。

スーパーキャパシタの充電

別の高ピーク電流アプリケーションでは、放電と放電の間に非常に長い時間充電を保持して、バッテリの消耗をなくす必要があります。この特定のアプリケーションでは、2.0Wの一定電力で、500msの放電時間、および最初の放電の2秒後には2番目の放電が必要です。その後、システムは最大1か月間アイドル状態になります。同じ5V出力の図2のMP3424回路は、より長い放電時間のために0.5Fスーパーキャパシタ (SC) と組み合わせることができます。SCのESRははるかに高い (約0.4Ω) ため、降圧レギュレータへの入力が低下します。この低下は、放電期間中の約0.25Vです。終端電圧は約4.1Vで、1秒間の再充電時間には300mAの定電流が流れます。放電時間と充電時間は1.5秒で、2秒のサイクルタイムの条件が満たされています。

MP3424の出力ピンとセンスピンに漏れがあるため、ICが無効になっている場合 (バッテリを保護するため)、スーパーキャパシタは1ヶ月間非アクティブ状態でゆっくりと放電します。このアプリケーションでは、出力PチャネルスイッチがSCを昇圧回路から分離し、マイクロコントローラが放電 / 充電サイクルを開始するために使用するイネーブル信号によって制御されます。1つのパッケージにNチャネルデバイスとPチャネルデバイスを組み合わせることで、イネーブルハイ信号でスイッチングを実行し、スーパーキャパシタでのオフリークを50nA未満に低減します。図5に回路全体を示します。

図5: ピークパルス電力用のスーパーキャパシタ充電回路

結論

昇圧DC/DCレギュレータにプログラム可能な定電流モードがあることは、低電圧バッテリなどの電力が制限された電源を持つアプリケーションに使用するのに最適なツールです。昇圧コンバータのスイッチピンを別の電源入力に使用すると、小さな補助電源でICにバイアスをかけながら、バッテリ電源の潜在的な電力を最大限に活用します。

 

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