CN0509

CN-0509 は、5V～100V の多様な DC 電源を 5V、2A の安定化電源に変換し、USB タイプ A の 2 つのレセプタクルを介して USB充電デバイスを充電できます。

2 つの出力ポートを備えており、一方のポートでは、汎用充電用に USB の D+信号と D−信号をオープンのままにし、もう一方のポートには、ほとんどのメーカ製のデバイスに対して大電流充電モードが可能な USB DCP コントローラを搭載しています。両ポートは同時に使用できます。ただし、最大負荷電流は合計2A です。

この設計では、高効率ステップダウン（降圧）DC/DC コンバータ（LTC7103）、パススルー動作機能、および絶縁型フライバック・コンバータ（LT8302）を組み合わせて使用しています。したがって、この構成では、降圧コンバータの高い電力効率と広い動作範囲、およびフライバック・コンバータの絶縁と優れた調整能力が組み合わされています。 

入力電圧保護と LED ドライバ

CN-0509 の電力入力段を図 2 に示します。高電圧ショットキー･ダイオードとヒューズによって、回路は逆電源接続状態や過電流状態から保護されます。

2 個の LED は入力電力を示し、緑は極性が正しいことを示し、赤は逆接続であることを示します。赤 LED が点灯した場合は、入力の極性を逆にして接続し、回路を動作させなければなりません。ブリッジ整流器を使用すると、極性に関係なく動作させることができますが、400mV の電圧降下が加わって最小動作電圧が上がります。このため、ソーラー・パネルやアルカリ・バッテリ・セルなどの電圧の低い電源から充電する場合は問題が起こることがあります。

回路の全動作範囲でアクティブな一定電流駆動回路が、明るさの変化を最小限に抑えながら LED 電流を維持します。2 つの回路は直列に接続されていますが、極性は逆になっています（図3 を参照）。

電源が印加されると、R1 に電流が流れ、トランジスタ Q3 がオンになります。続いて Q3 のエミッタ、LED、および R2 に電流が流れます。R2に流れる電流が増加するにつれて、R2の両端の電圧も増加します。R2 の両端の電圧降下がトランジスタ Q1 のベースとエミッタ間の電圧（V_BE）（約 0.7V）に達すると、Q1がオンし始めます。この結果、R1 を流れる電流が Q1 へのベース駆動を弱め、LED への電流を効果的に制限します。この帰還ループは、11V～100Vの電圧範囲で緑LEDの電流を約2.41mA、赤 LED の電流を約 2.432mA に維持します。

LTC7103 降圧コンバータ

電力入力回路の後段には、LTC7103 同期整流式降圧コンバータがあります。降圧コンバータ、つまり降圧スイッチ・モード電源は、DC の高電圧を低電圧に効率的に降圧し、同等の電流性能のリニア電圧レギュレータと比べて小さなパッケージで低消費電力と高電力密度を実現できます。

DC 入力は、合計 4.8μF でフィルタリングとバイパスが行われてから降圧コンバータに入力されます。その後、LTC7103 は、12V～105V という広い範囲の入力電圧を 12V の安定した出力電圧（V_OUT）に効率的に降圧すると同時に、300kHz のスイッチング周波数（f_SW）で最大 2.3A の出力電流を供給します。

LTC7103 は選択可能な高精度の帰還分圧器を内蔵しているため、高精度の抵抗を外付けする必要はありません。V_PRG1 ピンとV_PRG2ピンのデジタル状態によって、出力電圧が 1.0V～15V の範囲で 9 種類の固定オプションのいずれかに設定されます。CN-509 では、V_PRG1ピンを INTV_CCピンに接続し、V_PRG2ピンをオープンのままにすることで出力電圧を 12V に設定していることに注意してください。

CN-0509 は LTC7103 の機能を利用し、入力電圧が 4.4V～12V の場合にパススルー・モードで動作します（図 5 を参照）。LTC7103 に続く絶縁型フライバック段は 12V に最適化されていますが、出力電流能力を低下させた状態で 5Vという低電圧まで動作し続けます。パススルー動作によって、回路は非常用電源の電圧が低下し始めたような場合でも、できるだけ長く動作し続けることができます。

LTC7103 のアーキテクチャは、短絡状態に対する固有の保護回路を備えており、出力電流と発振周波数をどちらも折り返す必要がありません。この保護が可能なのは、パルス幅変調（PWM）コンパレータがインダクタ電流の情報を平均電流アンプから絶え間なく受け取っているからです。この結果、上側スイッチの最小オン時間が長すぎてスイッチング周波数が最大のときにインダクタ電流の制御を維持できない場合、短絡状態ではサイクルが自動的にスキップされます。代表的な回路制限動作を図 6に示します。

LT8302 フライバック・コンバータ

降圧段の後段にはフォトカプラ不要のマイクロパワー絶縁型フライバック・コンバータ LT8302 があります。LT8302は、1次側のフライバック波形をサンプリングし、出力電圧を間接的にセンシングすることでレギュレーションを維持します。このため、フォトカプラや結合されたインダクタの 3 次センス巻線が不要になります。

このアプリケーションでは絶縁は必須です。なぜなら、緊急に使用する電源の極性とグラウンド接続が分からなかったり、設計上、充電アプリケーションに本質的に向いていなかったりする可能性があるためです。−48V の電気通信電源が一般的な例です（図 7 を参照）。 

電気通信電源は、ワイヤのガルバニック腐食を防ぐためにアース・グラウンドに対して負極性になっています。したがって、非絶縁型降圧コンバータをベースにしたチャージャでは、携帯電話の筐体が−48V に接続されているときに、この筐体が接地された物体と接触すると危険な状態になります。ソーラー・パネルやジェネレータの配線が不適切な場合にも同様な事態が発生する可能性があります。

LT8302 は絶縁機能を実現する他に、降圧コンバータからの 12V出力を 5Vに降圧します。V_OUTは、以下のように外付け抵抗 2 個と第 3 の温度補償抵抗 1 個（オプション）を使用して設定できます。

ここで、
R_FBは LT8302 の帰還抵抗、
R_REFは LT8302 のリファレンス抵抗、
N_PSはトランスの 1 次対 2 次の実効巻数比、
V_OUTは出力電圧、
V_F(T0)は出力ダイオードの順方向電圧（25°C で約 0.3V）、
V_REFは LT8302 の内部電圧リファレンスです。

一般的な巻数比で入力電圧を変化させた場合に、5V V_OUTを出力するときの代表的な最大出力電力を図8に示します。CN-0509のトランスの巻数比が 3:1 の場合に、最大の V_OUTが約 10W になります。

最大 2A までの急速充電

USB はデバイス充電においてデファクト・スタンダードになっており、USB 2.0 規格に準拠した代表的なチャージャは 500mA以上の電流を供給できます。デバイスに自身を認識させ、電源から引き出せる最大充電電流を決定できるように、チャージャは USB データ・ライン上に専用の電圧シグネチャを生成する必要があります。この最大充電電流は、最低基準の 500mA よりも大きくなる場合があります。

U3 は DCP コントローラで、USB データ・ラインの電圧（D+および D−）をモニタし、一般的な複数のデバイス・メーカの急速充電モードを実現するシグネチャを生成します（図 9 を参照）。両ポートは同時に使用でき、合計 2Aの最大負荷電流を供給できますが、DCP ポートを使用しているときは、もう一方のポートは取り外しておくことを推奨します。

USB ケーブルの品質には大きなばらつきがあることに注意してください。長く細いケーブルは、負荷での電圧降下が大きくなる場合があります。

システム性能

絶縁型コンバータへの入力が 12V で一定であるため、CN-0509の動作は、12V～100V の入力電圧でほぼ一定です。入力電圧が下がると、図 10 に従って供給できる充電電流が減少します。

逆入力に対する耐性

CN-0509 は最大 100V までの逆入力接続に耐えられます。CN0509 への逆入力と LTC7103 V_INの関係を図 11 に示します。

負荷レギュレーション

図 12 により、12V を超える入力電圧での CN-0509 の負荷レギュレーションは 65mV 以内であることが分かります。これは、負荷が 0.1A から 2A に増加するためであり、出力インピーダンスは約 32.3mΩ に相当します。

負荷接続トランジェント

CN-0509 の電源をオンにしたときの携帯電話（電話 A）における電流と USB データ・ラインのトランジェント・カーブを図 13に示し、USB パワー・バンク（パワー・バンク B）における電流とUSBデータ・ラインのトランジェント・カーブを図14に示します。 

熱性能

図 15 は、周辺温度が 25°C で自然空冷のとき、作業台上に CN-0509 ボードが水平に置かれた状態で、1 時間にわたって 5.62V、2A で負荷を充電しているときの CN-0509 の熱応答を表示しています。EVAL-CN0509-EBZ ボードの最高温度はダイオード D3 の83.8°C で、最高動作温度の 150°Cをはるかに下回っています。