携帯機器向けの簡素化された USB Type-C電源管理の設計

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USB Type-Cコネクタを備えたアプリケーションや携帯機器は、近年ますます一般的になっています。それらの多くの利点の中には、小さいサイズ、使いやすい機能、および汎用性があります。USB Type-C (USB-C とも呼ばれる) は、USB 3.1、DisplayPort、HDMI、USB PDなどの複数のプロトコルをサポートできます。USB インプリメンターズ・フォーラム (USB-IF) は、USB Type-Cケーブルおよびコネクタ仕様と呼ばれるUSB Type-Cのガイドラインをリリースしました。これは、汎用性を実現するためのUSB Type-Cの標準の概要を示しています。この記事では、USB Type-Cの仕様と、携帯機器やアクセサリ・アプリケーションに電力を供給するために必要な要件を満たす、簡素化された電力供給ソリューションを設計する方法に関する推奨事項について説明します。

USB Type-Cの仕様では、電力を供給する4ペアの電源ピンと、デバイスの状況を検出する2つのCCピンが定義されています。USB Type-Cの仕様では、2つの潜在的な電源が定義されています (VBUSとVCONN)。VCONNピンは常に3Vから5Vの間であるため、特定の仕様はありませんが、VBUSにはUSB PDなど別のプロトコルに準拠する必要がある広い電圧範囲があります。USB PDプロトコルでは、VBUS電圧は最大20Vになります。電圧が急激に上昇したときに接続されたデバイスを保護するために、USB Type-Cケーブルおよびコネクタの仕様では、VBUSピンに接続されたピンが最大21Vの電圧に耐える必要があります。

電気的にマーキングされた USBケーブルの場合、VCONNとVBUSの両方が電力を供給できます。VCONNが使用可能で検出された場合、接続されたデバイスは VCONNから電力を供給されます。VCONNが取り外されている場合、デバイスは VBUSから電力を供給されます。これらの電源パスの可用性を監視するには、システムに電源の変化を検出するためのOR回路が必要です。 図1は、従来のOR回路を示しています。この回路には、4つの I/O ピン、2つの電源入力ピン (VIN1およ VIN2)、1つの出力電源ピン (VOUT)、および1つの選択ピン (SEL) があります。SELピンが信号を受信すると、内部ロジックコントローラは 2つの制御信号を生成して、VIN1またはVIN2からの電力経路を選択します。

図1: Oリング回路

USB Type-Cケーブルのアプリケーション例は、VBUSがVIN2に接続され、VCONNがVIN1に接続されている場合です。Q2がオンになり、Q1がオフになると、MOSFETのボディダイオードにより、電流 (IS) がVIN2からVIN1に生成されます。このセットアップでは、VBUS電圧は20Vまで高くなる可能性があります。つまり、VIN1に接続されているデバイスが損傷する可能性があります。

この問題を解決するには、4つのMOSFET (バックツーバックMOSFETの2つのパス) を使用して最適なOR回路を実装する必要があります(図2を参照)。この回路は2つのMOSFETを1つのスイッチとして使用しています。これら2つのMOSFETのボディダイオードは逆方向であるため、いずれかのスイッチ (スイッチ1またはスイッチ2) がオンまたはオフになった場合でも、リーク電流はありません。

4つのNチャネルMOSFET (Q1、Q2、Q3、および Q4) を使用して2つのスイッチを作成すると、2つの電源ピン (VIN1およびVIN2) の高速過渡を達成できるOR回路が構築されます。SEL端子により電源供給経路を選択できます。

図2: バックツーバックMOSFETを使用したOリング回路

このタイプのOR回路を設計に組み込んだコンバータの例がMPSのMP5461であり、テスト時に有望な結果を提供しました (図3および図4を参照)。SELピンがローからハイに切り替わり、電源ピンがVIN1からVIN2に切り替わると、VOUTは大きな突入電流や電圧オーバーシュートなしに優れた出力電圧安定性を維持します。VIN2からVIN1に移行するときのスイッチの電源ピンについても同じことがいえます。

図3: VIN1からVIN2への電源装置の変更 - 図4:電源をVIN2からVIN1に変更

USB Type-Cケーブルとコネクタの仕様では、VCONNによって給電されるデバイスの電圧範囲、およびほとんどの電気的にマーキングされたICが3.3Vまたは5Vを必要とすることが明確に定義されています。安定した出力を保証するために、入力電圧が出力電圧より高い、等しい、または低いかに関係なく、昇降圧回路が動作を処理するために使用されます。4つのMOSFETを使用して昇降圧回路を構築すると、過渡応答が大きくなり、効率が高くなります。スペースと効率のバランスをとるために、2つのPチャネルMOSFETと2つのNチャネルMOSFETを使用して昇降圧回路を構築できます。

USB Type-Cケーブルおよびコネクタ仕様は、電子設計用のスペースが非常に少ない USB Type-Cケーブルのリファレンス設計を提供します。設計を小さなスペースに収める最も効果的な方法は、高度に統合された電源ソリューションを利用することです。

MP5461は、これらの推奨条件を満たした効率的で省スペースの電源ソリューションの一例です。集積されたOR回路は、4つのNチャネルMOSFETと、2つのPチャネルMOSFETと2つのNチャネルMOSFETを備えた昇降圧回路で補強されており、合計8つのMOSFETを備えています(図5を参照)

図5: MP5461 機能ブロック図

このICは、電力経路管理と、逆電流保護、過電圧保護 (OVP)、過電流保護 (OCP)、サーマルシャットダウン、低電圧ロックアウト (UVLO) などの幅広い保護機能も提供します。1.4mm x 1.8mmの小さなCSPパッケージに収められており、最大93.8%の効率を実現します (図6を参照)

図6: MP5461 効率 vs.負荷電流

結論

USB Type-Cケーブルとコネクタは小さいですが、2 つの電源 (VCONNとVBUS) 間の電圧範囲が広く、非常に用途が広く強力です。USB Type-C電圧を確実に処理および監視できるエレガントでコンパクトな設計を実現するには、OR回路と昇降圧回路を備えた集積電源デバイスを強くお勧めします。集積されたOR回路と昇降圧回路を備えた回路トポロジーは、USB やバッテリ入力ソース (リチウムイオンバッテリ入力など) などのマルチ入力電源アプリケーションにも適しています。理想的なソリューションは、2つの電圧を効果的に処理できるだけでなく、ORと昇降圧回路を単一のデバイスに統合して、基板スペースとBOMコストを最小限に抑える必要があります。MP5416の高度な集積と組み込みの保護機能により、MPS5416の高集積と搭載済み保護機能は、USB Type-CデジタルAVマルチポートアダプタやUSB Type-CからHDMIへの変換アダプタなど、UBS Type-Cでの入力があるさまざまな電源機器に適しています。

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