プログラマブル電源 (PPS) 対応USB Type-C昇圧および昇降圧ソリューション

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複数の周辺機器用にUSB Type-C (またはUSB-C) 充電電力を生成するには、コントローラと連携して対応するデバイスに必要な電圧と電流を提供できる柔軟なDC/DCコンバータが必要です。特に複数電源ポートまたはハブ応用で、効率が最重要になり、内部熱を最小限に抑えるために電力損失を最小限に抑える必要があります。USB 給電用のプログラマブル電源 (PPS) 仕様により、さらに電力変換デバイスに統合する機能が追加されます。

この記事では、柔軟な機能を備えた完全なUSB Type-C用電力供給 (PD) ソリューションを実装する方法に焦点を当てます。システムは、完全に機能するUSB Type-C製品を実現しながら、PPS仕様にリストされている電流と電圧の規制の要求を満たす必要があります。それは部品の選択、ボードレイアウト、プログラム可能な機能と設定を使用した機能の最適化など、設計の主要な側面をカバーします。例としてMPSのMPQ4272昇降圧コンバータとMPQ4230昇降圧コンバータを使用して、デバイスの動作を分析し、スイッチング周波数とピーク電流を最適化し、電力供給損失を最小限に抑えます。この記事では、完全なPDソリューションに適したUSB PDコントローラを備えたDC/DCコンバータを利用する方法についても説明します。

USB プログラマブル電源 (PPS) 仕様の要件

PPS規格は USB PD仕様 (usb.orgで入手可能) の一部であり、主に高速バッテリ充電の促進に焦点を当てています。PPS電源は受電デバイスと10秒ごとにデータを交換できるため、電源は、USB電源を受け取っているデバイスによって設定された条件に従って出力電圧と電流を動的に調整できます。PPS機能により、電圧と電流に小さな段階的な変更を加えることができます。受信側受電装置は、ソースにこれらの変更を行うように要求できます。この電源制御は電力変換による損失を減らすのに有益な方法で、特に特定のバッテリチャージャが別のレベルの変換損失をもたらす場合に有効です。

リチウムイオンバッテリを充電するための標準的なプロセスは、定電流充電状態 (バッテリ電圧が徐々に上昇する間にも、一定の定電流を維持する) から始まります。そして、特定の電圧に達した後、充電は定電圧に変化します (一定の電圧を維持し、充電電流は徐々に減少します) 。図1は、リチウムイオンバッテリの充電プロファイルを示しています。

図1: リチウムイオン充電プロファイル

以前のUSBの仕様では、5Vの固定電源電圧が許可されていました。USB Type-C用受電デバイスの仕様は、新たに高電圧オプションを含むように進化しましたが、段階的な電圧変動は含まれていません。バッテリを充電するための主な方法は、降圧レギュレータ充電器を必要とし、これは別の変換ステップを追加しそこでは熱を発生させ効率を低下させました。

PPS規格により、USB Type-C電源はバッテリの直接充電のための電圧および電流の制御を提供し、電力損失を削減することができます。PPS電源の公称ステップサイズは、出力電圧で20mV、電流制限で50mAです。電圧範囲には、最小3.3Vと最大21Vが含まれています。これらの範囲とUSB通信プロトコルを組み合わせることで、単一セルまたは複数セルのバッテリ電源用のインテリジェントな充電ソリューションを実現できます。増分電圧制御は、受電装置へのケーブル損失があるために負荷へのI-R電圧降下の補償を必要とするアプリケーションにも対応します。

USB電源ソリューション

USB Type-Cソースの出力は、出力電圧と電流の仕様に準拠している必要があります。ただし、ソースの入力には、広いまたは狭い電圧範囲、低電力から高電力までの能力など、さまざまな特性があり得ます。電源用の電力変換デバイスを選択するには、その入力ソースと、完全なUSB Type-CおよびPPS機能などの必要な出力機能を考慮する必要があります。

電源からの最大出力電圧は21Vであるため、21Vを超える電源には降圧DC/DCコンバータ (降圧コンバータとも呼ばれます) を使用する必要があります。車載用12Vバッテリなど、多くのアプリケーションは低電圧に制限されており、昇降圧DC/DCコンバータを使用して入力電圧を高い出力電圧と低い出力電圧の両方に変換する必要があります。昇降圧コンバータは汎用的なのですが、降圧コンバータは通常、電源スイッチが2つしかないため、4つの昇降圧に比べて費用対効果が高くなります。この記事では、これらのソリューションの両方について検討します(図2を参照)

図2: USB電源ソリューション

完全なUSB Type-Cソリューションには、電力変換部品と USB PDコントローラが必要です。コントローラは、受信側の受電回路デバイスと必要なハンドシェイクを実行し、適切なセットアップ情報をDC/DCコンバータに通信して、電力がUSBポートに確実に供給されるようにします。コントローラ付きのDC/DCコンバータを使用する例を以下に説明します。

USB Type-C降圧コンバータ・ソリューション

理想的なUSB Type-C降圧コンバータ・ソリューションには、高効率の同期スイッチング FET、補償が組み込まれた多用途の制御要素、USBコントローラ・デバイスへの直接リンクを提供するシリアル通信インタフェースが含まれます。MPSのMPQ4272など一部のデバイスは、デュアルポートUSBアプリケーション用のデュアル出力構成でこれらの機能を提供します。降圧型USB Type-Cソリューションの例として、この特定の部分を検討します。MPQ4272降圧コンバータは、最大36Vの入力電圧と各出力で最大3Aの負荷電流を提供し、デュアル出力、60Wの電源ソリューションを提供します (図3参照)

図3: VIN = 24V、VOUT1、VOUT2 = 3.3Vから21V、3A負荷

図3は、AC/DCの壁付き電源アダプタからの24V入力を利用し、PPSに適した 3.3Vから21Vの範囲が可能な2つの出力に変換する回路を示しています。SCLおよびSDA信号は、電流と電圧の制御だけでなく、一般的な制御のためにレジスタにアクセスするI2Cシリアル・インタフェースです。テレメトリには、電圧、電流、および温度の監視機能が備わっています。

ソリューションの特徴には、改善されたUSB出力電圧レギュレーションのためのラインドロップ補償、選択可能なスイッチング周波数、および最大98%の効率が含まれます (図4参照)。この高い効率は主に、ハイサイドで22mΩ、ローサイドで26mΩのパワーMOSFETのRDS(ON)値によるものであり、これにより、両方のチャネルに5V、3A負荷の電力を供給して、非常に低い電力損失とわずか40℃のケース温度上昇を実現します (4層PCBでの推奨レイアウト) 。

図4: MPQ4272 効率曲線

出力電圧制御には調整可能なステップサイズがあり、ステップあたり20mVに簡単に対応でき、PPS動作に必要な50mAステップの定電流制御モードにも容易に対応できます。

昇降圧USB Type-Cソリューション

12Vの壁付き電源アダプタやさまざまな入力ソースを持つデバイスなど、他の低電力ソースを使用するUSB Type-C電源製品は、3.3Vから21V の完全な出力電圧範囲を生成するために、降圧DC/DCモードと昇圧DC/DCモードの両方を必要とします。

MPQ4230は、最大36Vの入力電圧と単一インダクタの昇降圧変換をサポートする4つの集積スイッチング MOSFETを備えた昇降圧ソリューションです。入力9Vで、20Vで3Aの負荷電流まで可能です。最適なソリューションの一例として、MPQ4230は制御回路を介して降圧モードまたは昇圧モードのいずれかへのスイッチングを鮮やかに処理できます。入力電源電圧が安定化出力電圧に近い場合、特別な昇降圧モードが作動し、4つのスイッチすべてがシーケンス制御されて、負荷への効果的な電力転送を提供します。出力定電流および電圧制御には、PPS動作に適切なステップサイズが含まれます。

図5は、USB-PDおよびPPS機能を備えた単一のUSB Type-Cポートに電力を供給するMPQ4230を示しています。MPQ4230の調整された出力電圧は、 MPQ5031のUSB VBUS信号に直接接続されます。PDコントローラはMPQ5031、USBプロバイダ応用用のダウンストリーム向きポート (DFP) です。I2Cシリアル・インタフェースを使用して、デバイスの有効化、出力電圧と電流制限の設定、ラインドロップ補償などのパラメータの調整などのMPQ4230の動作を制御します。

図5: USB PDおよびPPSアプリケーション用、VIN = 12V、VOUT = 3.3V~21V

結論

USBシングルポートおよびマルチポート電源製品が提供可能になり、PPS機能による直接バッテリ充電など、多くのアプリケーションでより適切に制御するための拡張機能を備えています。USB-PDおよびPPS機能を必要とするUSB Type-Cポートに電力を供給するためのICとソリューションを提示しました。このようなソリューションにおける高効率、完全な保護機能、および多用途のプログラム可能な機能により、高性能で費用対効果の高い電力供給が実現します。

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