AN193 - MP2760のBATFET選択

図1に NVDCパワーパス管理の構造を示します。

図1 : NVDCパワーパス管理

MP2760は、設定可能なV_{SYS_MIN}をもっています。 V_BATT < V_{SYS_REG_MIN} (ここで、V_{SYS_REG_MIN} = V_{SYS_MIN} + V_TRACK) の場合、BATFETドライバは充電電流ループ (トリクル充電、プリチャージ、および線形定電流 (CC) 充電) を制御します。これにより、V_SYSは、V_{SYS_REG_MIN}で調整されます。

V_BATT > V_{SYS_REG_MIN}の場合、BATFETは完全にオンになり、充電電流ループ (スイッチングCC充電) とバッテリー電圧ループ (定電圧 (CV) 充電) は、昇降圧型コンバータのパルス幅変調 (PWM) 制御を介して実装されます。V_SYSは常に実際のバッテリー電圧を追跡しますが、これはV_TRACKによりV_BATT を上回るように制限します。

図2にシステム電圧調整を示します。 ここで、R_{SYS_BAT}はシステムとバッテリー間の全抵抗です。

図2 : システム電圧調整

図3 : 充電サイクルプロファイルの完了

図3に、 MP2760の充電波形を示します。

方法の詳細

リニア充電電流

V_BATTがV_{SYS_REG_MIN}より小さい場合、BATFETは線形で動作します。1セルアプリケーションでは、チャージポンプは内部回路に3.6Vの電圧を供給できる内部LDO出力であるV_CCによって駆動されます。チャージポンプの入力により、チャージポンプの最大出力 (V_CP) が決定されます。V_CPは電流源を介して外部 BATFETを駆動するために使用されます。

電流源の出力インピーダンス (Z_ISRC) は数百kΩ、チャージポンプの出力インピーダンス (Z_{O_CP}) は数kΩ～数十kΩの間でなければなりません。選択された BATFETのゲート・ソース間のしきい値電圧 (V_{GS_TH}) が電流ソースのDC電圧バイアス (約2V) として不十分である場合、Z_ISRCは数十kΩまで低下し、不適切なループゲインのせいでI_CHGは設定された値 (I_{CHG_CONF}) を下回ります。したがって、特に1セルアプリケーションでは、必要な最小充電電流 (I_{CHG_REQ}) を満たすために適切なBATFETを選択する必要があります。

図4は、1セルアプリケーションにおけるBATFETのリニアオンループの単純化されたブロック図を示します。

図4 : 1セルアプリケーションでのBATFETのリニアオンループの簡略化されたブロック図

図5は、I_{CHG_CONF}が1Aに設定されているときのMP2760のI_CHGとBATFETのゲート・ソース間電圧 (V_GS) の関係を示しており、1セルアプリケーションでの駆動能力を反映しています。2セル～4セルのアプリケーションでは、チャージポンプの入力は十分に高く、BATFETを駆動する電流源が飽和することはありません。このため、このアプリケーションノートでは、1セルアプリケーションでのBATFETの選択に関するガイダンスのみを提供します。

図5：MP2760のBATFET I_CHG vs. V_GS (I_{CHG_CONF} = 1A)

図6に、3種類のNチャネルMOSFETの転送特性を示します。これらの特性曲線は4ページの図5の曲線と対になっています。

図6：MP2750のBATFETが異なるMOFSETと線形に動作する場合のI_CHGの推定 (I_{CHG_CONF} = 1A)

図6に基づいて、 異なるMOSFETタイプのBGATEピン電圧 (V_BGATE) とI_CHGの値を推定することができます。表1に、最適な転送特性を持つMOSFETを選択するためのV_GSとI_CHGの推定値を示します。

表1: 推定V_GSおよびI_CHG値 (1) (2) (3)

VBGATEリーク (μA)	VTHの低いサンプル		VTHの代表的なサンプル		VTHの高いサンプル
	VGS (V)	ICHG (A)	VGS (V)	ICHG (A)	VGS (V)	ICHG (A)
0	1.86	0.95	2.29	0.8	2.74	0.55
3	1.86	0.95	2.29	0.8	2.73	0.52
20	1.85	0.85	2.26	0.6	2.69	0.32

注意

1. これらの 推定値は1AのI_{CHG_CONF}から得られます。I_{CHG_CONF}が500mA増加すると、実際のI_CHGも約 500mA増加します。
2. このアプリケーションノートでは、1セルアプリケーションについてのみ説明します。
3. BATFETのゲート・ソース間放電抵抗 (R_GS) のように、BGATEから引き出される外部リーク電流 (I_LKG) がある場合、結果は異なります。

選択されたMOSFETがI_CHGをI_{CHG_REQ}に到達させるのに十分でない場合、I_CHGをI_{CHG_REG}に確実に到達させる2つの方法があります。

1. V_TRACKを増加させて伝達特性曲線を左にシフトさせることにより、BATFETのドレイン・ソース間電圧 (V_DS) を増加させます。この結果、I_CHGが高くなります。V_DSが高くなると、BATFETの損失が増えるため、V_TRACKを高く設定できませんのでご注意ください。
2. 最小I_CHG要件を満たすために、I_{CHG_CONF}を高く設定します。

充電電流の切り替え

V_BATTがV_{SYS_REG_MIN}を超えると、BATFETは完全にターンオンし、そのリニアオンループはI_CHGに影響しません。代わりに、式 (1) で計算されるように、I_CHGはV_TRACKによって制限されます。

$$ I_{\text{CHG}} = \frac{V_{\text{TRACK}}}{R_{\text{SNS}} + R_{\text{DS(ON)}} + R_{\text{PCB}}} $$

ここで、R_SNSはI_CHGセンス抵抗、R_DS(ON)はBATFETが完全にオンになっているときのオン抵抗、R_PCBはPCBの寄生抵抗です。

式 (1) に基づいて、R_DS(ON)は式 (2) で推定される拘束を満たす必要があります。

$$ R_{\text{DS(ON)}} < \frac{V_{\text{TRACK}}}{I_{\text{CHG_REQ}}} - R_{\text{SNS}} - R_{\text{PCB}} $$

BATFETのR_DS(ON)が十分に低くない場合、I_{CHG_REQ}が満たされるようにI²Cを介してV_TRACKを高く設定することができます。

設計例

このセクションでは、リニア充電モードとスイッチング充電モードの両方に対するI_CHG要件を満たすために、1セルアプリケーションで適切なBATFETを選択する方法を示します。

例として、以下の設計パラメータを考えます。I_{CHG_REQ}はリニア充電モードで0.8A、スイッチング充電モードで4Aに設定されています。以下の条件に基づき、リニアチャージモードで、I_{CHG_CONF}は1A、最小ドレイン・ソース間電圧 (V_{DS_MIN}) は100mV、RGSは1MΩです。スイッチング充電モードでは、I_{CHG_CONF}は4A、V_TRACKは100mV、R_SNSは10mΩです。

図7に、 MP2760の代表的なアプリケーション回路を示します。

図7 : MP2760の代表的なアプリケーション回路

リニア充電モード

リニア充電モードのI_CHG要件を満たすには、以下の手順に従います。

1. 5ページの図6に基づくと、I_{CHG_REQ}を0.8Aに設定すると、VGSは2V～2.5Vになります。
2. 外部 BGATEから引き出されるリーク電流 (I_LKG) は、式 (3) で計算できます。
$$ I_{\text{LKG}} = \frac{V_{\text{GS}}}{R_{\text{GS}}} = \frac{2\,\text{V to }\,2.5\,\text{V}}{1\,\text{M}\Omega} = 2\,\mu\text{A to }\,2.5\,\mu\text{A} $$
3. 5ページの表1に基づいて、I_{CHG_REQ}を 0.8Aに設定すると、V_GSは約2.29Vになります。
4. V_GSが2.29Vの場合、ドレイン・ソース電流 (I_DS) が0.8Aを超えるV_DS = 0.1Vで、適切な伝達特性曲線を持つNチャネルMOSFETを選択します。

充電モードの切り替え

PCB上の寄生インピーダンスを無視して、BATFETのR_DS(ON)は式 (4) で計算できます。

$$ R_{\text{DS(ON)}} < \frac{100\,\text{mV}}{4\,\text{A}} - 10\,\text{m}\Omega = 15\,\text{m}\Omega $$

結論

NVDCアーキテクチャは、バッテリーチャージャアプリケーションでますます実装されてきています。MP2760は、外部BATFETを使用してNVDCパワーパス管理を提供するバッテリーチャージャです。BATFETの選択はNVDCの性能、特に1セルアプリケーションに影響を与えます。

このアプリケーションノートでは、リニア充電モードとスイッチング充電モードの両方でI_CHG要件が満たされることを保証する、適切な特性を持つ適切なBATFETを選択する方法を提案しました。

追加資料

MPSバッテリー管理製品の詳細については、 MPS FAEに問い合わせるか、MPS Webサイトをご覧ください。

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