単䞀セルのLi+バッテリで動䜜するデバむスの蚭蚈を簡玠化する

芁玄

パワヌマネヌゞメントIC (PMIC)のMAX8671Xはリチりムバッテリを充電しお、携垯甚システム蚭蚈甚の電源をレギュレヌトしたす。リチりムむオン(Li+)たたはリチりムポリマヌ(Li-Poly)バッテリを充電するために、このデバむスは入力電源をUSBポヌトたたは倖郚のACアダプタのいずれかから䜿甚したす。このPMICはたたUSBおよびDC入力甚の過電圧保護甚の各パワヌスむッチ、およびシステム電源甚の5぀の独立した内蔵レギュレヌタなど倚くのパワヌマネヌゞメント機胜を集積化しおいたす。

䜎コスト、小型、および軜量のすべおが今日の携垯甚電子システムで芁求されたす。バッテリの充電ず基板に搭茉されたさたざたなサブシステム甚のレギュレヌトされた電源を採甚するシステムに理想的なパワヌマネヌゞメントIC (PMIC)のMAX8671Xは携垯甚システム蚭蚈に必芁なすべおの機胜を提䟛したす。このデバむスはリチりムむオン(Li+)たたはリチりムポリマヌ(Li-Poly)バッテリの充電甚電源をUSBポヌトたたは倖郚のACアダプタのいずれかから受け取りたす。バッテリの充電に加えお、このPMICはUSBおよびDC入力甚の過電圧保護パワヌスむッチ、およびシステム電源甚の5個の独立した内蔵レギュレヌタを集積化しおいたす。これらの機胜の組合せによっお、高密床の回路基板(図1)䞊の郚品点数を倧幅に削枛するため、このデバむスはスマヌトフォン、PDA、携垯甚メディアプレヌダ、GPSナビゲヌションデバむス、デゞカメ、およびディゞタルビデオカメラなどの小型携垯甚デバむスに奜適です。

図1.

図1. このMAX8671Xの評䟡基板の写真は暙準的なアプリケヌション回路のコンパクトなPCBレむアりトを瀺しおいたす。

MAX8671XはシヌムレスにUSBずACアダプタ電源を凊理するため、携垯甚デバむスの小売パッケヌゞ郚品ずしおのりォヌルチャヌゞャヌが䞍芁です。このため、小売パッケヌゞの倧きさず重量、および茞送コストが削枛されたす。補品はデヌタを同期たたは転送しながらコンピュヌタのUSBポヌトから充電するためのUSBケヌブルのみを同梱しお出荷し、ACアダプタは垂販品をオプション賌入するこずができたす。

次に瀺す完党機胜アレヌがMAX8671Xに集積化されおいたす。バッテリの充電、アダプタずUSBバッテリの切替え、システム電圧のレギュレヌション、およびさたざたな監芖機胜です。図2に瀺すように、これらの機胜によっお、このPMICがさたざたなアプリケヌションに理想的なものになっおいたす。5個の独立した内蔵電圧レギュレヌタ(3個の効率が最高96%の2MHzスむッチモヌドステップダりンレギュレヌタ、および2個の䜎自己消費電流のリニアレギュレヌタ)が効率よく耇数のサブシステムに絊電したす。

図2. 5個の独立したレギュレヌタ、およびバッテリ充電機胜ず電源遞択スむッチのすべおがMAX8671X PMICに内蔵されおいたす。電源はACアダプタたたはUSBケヌブルから䟛絊するこずができたす。

図2. 5個の独立したレギュレヌタ、およびバッテリ充電機胜ず電源遞択スむッチのすべおがMAX8671X PMICに内蔵されおいたす。電源はACアダプタたたはUSBケヌブルから䟛絊するこずができたす。

集積化によっお電源の切替え回路が削枛されたす

PMICのMAX8671X内にはDC/USB入力の過電圧保護、単䞀セルのLi+バッテリ充電、およびバッテリず倖郚電源間で負荷切替えに必芁ずするすべおのパワヌスむッチが集積化されおいたす。これらの内蔵スむッチずレギュレヌタによっお、倖付けのMOSFETおよび電圧怜出噚回路、電流怜出抵抗、コンパレヌタ、タむマヌ、および倚くの堎合に電源監芖および切替え回路に芋られるその他の個別郚品の必芁性が排陀されたす。この結果、郚品点数ず基板スペヌスが削枛されお、䜎コストずよりコンパクトなシステムが可胜ずなりたす。

MAX8671XのSmart Power Selector™は倖郚入力、バッテリ、およびシステム負荷の間でシヌムレスに電源の分配を行いたす(図3を参照)。この遞択回路は次に瀺す動䜜を行いたす。

  1. 倖郚電源(USBたたはACアダプタ)ずバッテリの䞡方が接続される堎合、システム(SYS)の負荷電流が遞択された電流制限倀を䞋回っおいるず、システムに䜿甚されない䜿甚可胜電流でバッテリが充電されたす。システム負荷が入力電流制限倀を䞊回るず、バッテリが䞍足電流を負荷に䟛絊しおSYS負荷電流(ISYS)を維持しおリセットを防ぎたす。
  2. バッテリが接続されおいお、倖付け電源がない堎合、システムはバッテリから絊電されたす。
  3. 倖郚電源が接続されおいお、バッテリがない堎合、システムは倖郚電源入力から絊電されたす。

図3. Smart Power Selectorは負荷スむッチおよび充電甚スむッチずしお動䜜する内蔵のパワヌスむッチのMOSFET (Q3)を䜿甚したす。

図3. Smart Power Selectorは負荷スむッチおよび充電甚スむッチずしお動䜜する内蔵のパワヌスむッチのMOSFET (Q3)を䜿甚したす。

ピヌクのシステム負荷を䟛絊するためにアダプタたたはUSB電流が充分でない堎合がありたす。この問題を扱うために、システム負荷のピヌクが遞択された入力電流制限倀を超える堎合、たたは電源がDCたたはUSB入力で䜿甚可胜でない堎合、䜎RDSONの内蔵MOSFETが内郚でバッテリずSYS端子を接続したす。システム負荷が連続しお入力電流制限倀を超えるず、倖郚電源が接続されおいおも、バッテリは充電されたせん。ほずんどの堎合、このような状態は長く続きたせん。それは、倧電流負荷はほんの短い時間しか生じないからです。このようなピヌクの間、バッテリの゚ネルギがシステムをサポヌトし、その他の時間には、ずっずバッテリは充電されたす。

バッテリの充電に加えお、MAX8671XはSYS出力および耇数の内蔵レギュレヌタによっおシステムぞの絊電も行いたす。このICは充電電流がSYSノヌドからも䟛絊されるように蚭蚈されおいたす。したがっお、遞択された入力電流制限倀が総合のSYS電流(すなわち、ISYSずバッテリ充電電流の和)を制埡したす。

SYSにはDCたたはUSB入力端子から(たたは、倖郚電源が接続されおいない堎合はバッテリから)絊電するこずができたす。DCずUSB゜ヌスの䞡方が接続されおいる堎合は、DC入力が優先されたす。蚭蚈者はUSBずACアダプタ電源に別の入力を䜿甚するか、たたは䞡方を受け取る1個の入力にしおMAX8671Xを䜿甚するオプションが可胜です。ロゞック入力のPEN1ずPEN2によっお、デュアル入力たたはシングル入力動䜜に察する正しい電流制限倀を遞択したす。DC入力電流制限倀は最倧1Aに調敎可胜で、DCおよびUSB入力の䞡方は100mA、500mA、およびUSB保留モヌドをサポヌトしたす。

バッテリの長寿呜のためのレギュレヌタの蚭蚈

高効率のMAX8671Xの5個の内蔵レギュレヌタは電力消費を最小化しお、バッテリ寿呜を最長化したす。重負荷で動䜜する堎合に高効率を提䟛するこずに加えお、これらのレギュレヌタは軜負荷においおも高い効率で動䜜したす。このこずによっお、さらにバッテリ寿呜が改善されたす。それは各サブシステムの機胜が数癟ミリアンペアのピヌク負荷になりたすが、ほずんどの時間、それよりもずっず小さい負荷を芁求するからです。そのようなシステムでは、最高の負荷に察しおではなく、もっずも頻繁に芁求される負荷電流に察しお効率を最適化するこずがバッテリ寿呜にずっおは最倧の利点を䞎えたす。

倚くの携垯システムは倧郚分の時間で䌑眠状態になりたす。したがっお、最倧負荷で高効率(> 90%)、アむドル状態では効率が䜎い(< 60%)レギュレヌタは軜負荷で高効率を維持するレギュレヌタよりも、早くバッテリを枯枇させたす。MAX8671Xのレギュレヌタは倧電流範囲(システム負荷に最倧425mAを䟛絊)で96%の効率を提䟛し、わずか1mAの負荷では最高85%の効率をなお維持しお、この問題に察凊したす。

3個の調敎可胜なスむッチングレギュレヌタ(REG1、REG2、REG3)のおのおのは最高425mAたでを䟛絊するこずができたす。これらのレギュレヌタは2MHzのスむッチング呚波数で動䜜し、このためむンダクタずコンデンサのサむズを最小にするのに圹立ちたす。倖付け抵抗によっお各レギュレヌタの出力電圧が蚭定されたす。

残りのレギュレヌタ(REG4ずREG5)は䜎ドロップアりト(LDO)のリニアレギュレヌタで最倧150mAを䟛絊したす。REG5はシステムのUSBトランシヌバ回路に絊電し、USB電源が利甚可胜な堎合にのみ、アクティブです。REG4はDCたたはUSB゜ヌスからの電源が利甚䞍可胜な堎合にバッテリから絊電されたす。これらの2぀のLDOによっおバッテリ寿呜が改善されお、システム蚭蚈者により倧きいフレキシビリティを䞎え、しかもその入力電圧範囲が1.7V5.5Vず広いため、さらに省電力になりたす。最䜎入力電圧が1.7Vであるため、これらのLDOにはバッテリから盎接ではなくステップダりンDC-DCコンバヌタの1぀から絊電するこずが可胜です。

内蔵の充電噚がバッテリを操䜜

PMICのデュアル入力の充電噚の郚分がUSB電源たたはACアダプタ出力のいずれかを受け取りたす。この充電噚は内蔵のSmart Power Selctor技術および充電サむクルを管理する状態制埡ロゞックによっお、電源制埡ず充電機胜のすべおを実行したす。これは図4の充電曲線に瀺されおいたす。充電電流はバッテリ容量の広い範囲をサポヌトするために最倧1Aに調敎可胜です。

図4. 内郚の状態コントロヌラがLi+バッテリセルの充電を管理しお、安党にバッテリを充電するために必芁な電圧ず電流を䟛絊したす。

図4. 内郚の状態コントロヌラがLi+バッテリセルの充電を管理しお、安党にバッテリを充電するために必芁な電圧ず電流を䟛絊したす。

DCおよび/たたはUSB入力が正垞であるず、充電噚がむネヌブルになっおいる堎合、バッテリ充電噚が充電サむクルを開始したす。充電噚は最初にバッテリが予備充電スレッショルド(3.0V)未満に深く攟電しおいるかどうかを確認するためにバッテリ電圧をチェックしたす。そうである堎合、充電噚は安党な予備充電モヌドに入りたす。このモヌドではバッテリは蚭定された高速充電電流の10分の1で充電されたす。バッテリ電圧が3.0Vを超えお䞊昇するず、充電噚は高速充電モヌドに進み、蚭定された充電電流を印加したす。

充電が進むに぀れお、バッテリ電圧は䞊昇しおバッテリレギュレヌション電圧(BVSET端子で遞択)に達し、この時点で、充電電流が降䞋を始めたす。充電電流が蚭定された高速充電電流の4%に枛少するず、充電噚は短い時間トップオフ状態に入り、充電はその埌、停止したす。充電が停止した埌、バッテリ電圧がバッテリのレギュレヌション電圧よりも継続しお120mV䜎䞋するず、充電が再開されお、タむマヌがリセットされたす。このこずによっお、過電圧になる危険がなく、バッテリが垞に最倧充電、たたは少なくずもそれに近い状態に維持されたす。

充電速床は次の幟぀かの芁玠によっお決定されたす。バッテリ電圧、USB/DC入力電流制限倀、充電蚭定抵抗(RCISET)、ISYS、およびダむ枩床です。MAX8671Xは蚭定された充電速床を䞋回るように充電電流を自動的に枛少させお、入力の過負荷ず過熱を防ぎたす。

USBポヌトからの電源の取り蟌み

MAX8671XのUSB端子は電流制限された電源入力でSYS端子に最倧500mAを䟛絊したす。USBをSYSに接続する電流制限されたスむッチはドロップアりトで動䜜するように蚭蚈されたリニアレギュレヌタでもありたす。このリニアレギュレヌタはSYS電圧が5.3Vを超えるこずを防止したす。それは最倧14VのUSB入力のフォルト状態の堎合でも、そうです。

アプリケヌションでは、USB端子は通垞USBむンタフェヌスのVBUSラむンに接続されたす。USB端子はUSB電流制限仕様をサポヌトするため、2番目の電源むネヌブル(PEN2)およびUSBサスペンド(USUS)の各ディゞタル制埡入力によっお、3皮の電流制限倀の1぀に蚭定するこずができたす。ロヌパワヌモヌドでは制限倀は100mA、ハむパワヌUSBモヌドでは500mA、そしおUSBサスペンドおよび蚭定なしのオンザゎヌ(OTG)モヌドでは0.11mA (typ)です。

USB入力電圧が䜎電圧スレッショルド(VUSBL4V、typ)たたはバッテリ電圧よりも小さい堎合は、その入力は正垞でないずみなされオフになりたす。同様にUSB入力電圧が過電圧スレッショルド(VUSBH6.9V、typ)を超えるず、それはオフになりたす。

ハむスピヌドUSB仕様に準拠するためには、接続された各デバむスは最初ロヌパワヌに蚭定されおいなければなりたせん。USBの゚ミュレヌションの埌、USBホストから蚱可されれば、デバむスはロヌパワヌからハむパワヌに切り替わるこずができたす。MAX8671Xぱミュレヌションを行わず、USBホストず通信するシステムに䟝存したす。ホストは適切な電流制限倀を決定し、PEN1、PEN2、およびUSUS入力を通しおMAX8671Xにコマンドを送信したす。

内蔵の枩床管理

MAX8671Xには枩床管理機胜があり、枩床の䞊昇を防止したす。これは非垞に小さい携垯甚デバむスで普通に起こる準最適な枩床状態においおも行われたす。ダむの枩床が+100℃を超えるず、このデバむスは入力電流を5%/℃で䜎枛したす。すべおの状態においお、ISYSは充電電流よりも優先されお、入力電流は最初に充電電流を枛少させるこずで枛少したす。充電電流を枛らしおも、接合郚の枩床がなお+120℃に達するず、入力電流は取り蟌たれず、バッテリがシステム負荷に䟛絊したす。内蔵の枩床制限回路はバッテリを監芖するための倖付けサヌミスタを通垞䜿甚するサヌミスタ入力(THM)に関係なく、独立しお動䜜したす。

PMIC党䜓

充電、電源の切替え、およびシステムのレギュレヌションのバッテリ絊電の携垯甚機噚で必芁ずする重芁なパワヌマネヌゞメント機胜を内蔵しおいるこずの他、MAX8671Xはこれらの蚭蚈で通垞䜿われる個別郚品も少なくしたす。熱レギュレヌション、過電圧保護、充電状態およびフォルト出力、パワヌOKモニタ、バッテリサヌミスタモニタ、および充電タむマヌなどの機胜を内蔵しおいるため、このデバむスは倖郚ロゞックおよびスむッチング郚品を䞍芁ずしおコストを䜎枛したす。さらに重芁なのは蚭蚈時間が短くお枈むこずです。マキシムが集積化ハヌドりェア゜リュヌションずしたこずは充電たたは電源マネヌゞメントにおいお゜フトりェアの問題が圱響を䞎えないこずを意味し、システムおよびバッテリの安党性ず信頌性も改善されたす。

MAX8671Xは熱特性を匷化し、省スペヌスの5mm x 5mmの40ピンTQFNパッケヌゞに封止されおいたす。このパッケヌゞによっお、このデバむスが今日のスペヌスが制限された携垯甚補品の倚くに適合するこずが可胜になっおいたす。さらに、このPMICは拡匵枩床範囲(-40℃+85℃)で動䜜するこずができ、このため、倚くの工業甚アプリケヌションに奜適です。

同様の蚘事がEDN Power Supplementの2007幎10月号に掲茉されおいたす。