参考資料

昇降圧バッテリ・チャージャと USB
Type-C® パワー・デリバリの組み合わせで最大の電力密度を実現

Yipeng Su
Systems Engineer
Battery Management Systems
Texas Instrument昇降圧チャージャは、ポータブル・エレクトロニクスの充電を高速かつ低発熱で実行します。USB Type-C™ パワー・デリバリ (PD) と組み合わせると、ユニバーサル充電が実現可能になります。

概要

VBUS

USB Type-C™ Connector

ユニバーサル充電を使用する理由

1

USB Type-C は、USB OTG (On-the-Go) の充電を簡単に実行できるユニバーサル・アダプタを実現するための現実的な方法を提示しています。

3

SystemInput Power Path Management and Current Sensing, U1

discharging
DC/DC converter
U3

CC1
USB PD Controller
U4BatteryCC2

図 1. USB PD 充電ソリューションのブロック図

複数の内蔵部品で電力密度を最大化

24 MOSFETs
Buck Boostcharger
U2charging

ユニバーサル充電を使用する理由

さまざまな部品を内蔵したチャージャは、ソリューション・サイズ全体の効率化や、部品表 (BOM) の低減と同時に、大電力の供給に貢献します。

USB Type-C の幅広い普及がもたらす重要な利点の 1 つは、ユニバーサル電源アダプタを具体化し、またそれに関連して電気電子機器廃棄物を削減するうえで、現実的な手段が昇降圧充電の実装得られることです。USB Type-C コネクタは統一規格ですが、すべての昇降圧チャージャが同じ仕様というわけではありません。設計エンジニアの皆様は、ポータブル・エレクトロニクス設計に合わせて、注意深い選択を行う必要があります。

アダプタの電力定格と電圧は現在もなお多様であり、従来の5V USB アダプタや、5V～20V の電圧範囲で電力を供給できる USB PD アダプタなどが存在しています。加えて、多様なポータブル・デバイスは、内蔵しているセル・バッテリの数がさまざまに異なっている可能性もあります。入力電圧とバッテリ電圧にこのような多様性が存在する現状で、バッテリ・チャー

昇降圧チャージャは近年、人気が高まっています。事実上あジャ IC は昇降圧トポロジーへの対応が必須です。

らゆる入力電力供給源からバッテリを充電でき、入力電圧が図 1 に、USBPD 充電ソリューションのシステム・ブロック図をバッテリ電圧より高い場合も低い場合も対応できるからです。

示します。USB PD コントローラは、CC1/CC2 ピンを使用し昇降圧充電は、USB Type-C™ パワー・デリバリ (USB PD)てアダプタを特定します。アダプタと USB PD コントローラの充電と互換性のある各種パーソナル・エレクトロニクス・デバ間でハンドシェイクを実施した後、充電パワー・パスを管理すイスで広く採用されてきました。完全統合型の昇降圧チャージるユニットは背面結合 MOSFET をオンにし、VBUS から昇降

ャは、複数のスイッチング MOSFET (Metal-Oxide

圧チャージャの入力へとアダプタの電圧を供給します。また、

Semiconductor Field-Effect Transistor)、電流センシング回

このユニット (U1) は過電圧と過電流の保護機能も実装する

路、Narrow VDC (NVDC) パワー・パス・マネージメント機能を必要があるので、センシング抵抗を使用して入力電圧と入力搭載しており、高い電力密度で高速充電を実現できるからで電流をセンスします。昇降圧チャージャはさまざまな電圧で充す。また、昇降圧チャージャは、ロード・スイッチや DC/DC コ電を実施するために、入力電圧を昇圧または降圧する合計 4ンバータのような追加部品も USB PD 充電システムの一部と個のスイッチング MOSFET を必要とします。加えて、Narrowして統合しています。この統合は、システム設計の効率化、部

VDC (NVDC、狭い入力電源電圧範囲) パワー・パス・マネー

品表 (BOM) コストの削減、ソリューション・サイズ全体の小型ジメント機能と充電電流センシング機能を実現するために、も化に貢献します。

昇降圧バッテリ・チャージャと USB Type-C® パワー・デリバリの組み合わせで最大の電力密度を実現

2May 2022

う 1 個の MOSFET ともう 1 個の電流センシング抵抗がチャ対する保護を実施し、アダプタの過負荷を防止します。入力ージャの出力側で必要になります。の過電圧と過電流の保護回路の一部として、外部の背面結合 MOSFET に対する制御ロジックとドライブ回路も内蔵してOTG 対応充電います。これらの機能を内蔵した結果、入力パワー・パス・マ

USB On-the-Go (OTG) 仕様をサポートするために、1 個のネージメント機能と入力電流センシング機能をサポートするユ

DC/DC コンバータはバッテリの放電を実施し、VBUS と同じニットを、ブロック図から省略できます。

値でレギュレーション済みの電圧を生成して、アダプタが利用

ポータブル・デバイスでは、複数の電力供給源への対応が一できないときに外部デバイスに電力を供給します。USB

般的なトレンドになっています。たとえば、入力電力供給源とType-C ポートが高速なロール・スワップ (FRS) 機能に対応すして、USB アダプタ、従来型のバレル・プラグ・アダプタ (ACる必要がある場合、アダプタが USB Type-C ポートに接続さアダプタ)、充電ケース (充電機能付きケース)、太陽電池などれている状況も含め、この DC/DC コンバータを有効にして常が使用できることがあります。背面結合 MOSFET に対する 2にスタンバイ状態に維持する必要があります。アダプタを取り個のドライバを使用して、チャージャは 2 種類の入力電力供外した場合、放電パワー・パス内にある背面結合 MOSFET給源からの入力電圧のうち、どちらかを選択できます。

がオンになり、U3 の出力電圧を VBUS に渡して、VBUS 電圧を維持します。DC/DC コンバータを常時オンに維持する

また、チャージャは 4 個のスイッチング MOSFET と、これらと、システム全体で余分の静止電流を実際に消費する結果にに関連する制御ロジックやドライバも内蔵しています。NVDCなります。

パワー・パスを管理するバッテリ FET は、チャージャ内部に内蔵されています。このバッテリ FET 経由で流れる充電電流をセンスすることで、外部センス抵抗をチャージャの出力側かOther
input

ら省略できます。

ACDRV2USB-C
input

PMID

VBUS

4 個の FET で構成された昇降圧コンバータの双方向動作をACDRV1
SW1

実装すると、チャージャ自体が OTG モードをサポートできまSYSす。アダプタが存在している場合、チャージャは順方向充電モードで動作し、電力は VBUS からバッテリに流れます。

SW2

BAT

ACFET1

RBFET1VBUS

I2C Bus

BQ2579x

Host
HostControl

PMID

Power Accessories

SYS

Power System

USB1

BATP
Battery

SW1
BATN
GND

図 2. 完全統合型昇降圧チャージャの例
SW2複数の内蔵部品で電力密度を最大化

BAT

ここまでに説明したように、USB PD 充電ソリューションには、

I2C Bus
BATP

制御ユニット、MOSFET、センシング抵抗などの複数の外部

Host
Battery
HostControl

デバイスが関係します。これらはソリューション・サイズやGND

BOM (部品表) コストに関して最適化されていません。
図 2 に示す完全統合型の昇降圧チャージャは、USB PD 充

図 3. 単一の昇降圧チャージャで実現した USB Type-C™ FRS

電ソリューションのシステム・レベルの設計を簡略化することができます。第一に、入力電流センシング機能は充電機能のアダプタを取り外すと、電力の流れは反転し、バッテリから一部として内蔵済みです。ここでセンスした入力電流を使用しVBUS に流れます。OTG モードの出力電圧は VBUS と同じて、チャージャは入力電流のレギュレーションと入力過電流に値であり、10mV 単位でプログラマブルな 2.8V～22V という昇降圧バッテリ・チャージャと USB Type-C® パワー・デリバリの組み合わせで最大の電力密度を実現

3May 2022

USB PD の全電圧範囲を網羅します。これは、USB PD 3.0の仕様と互換性がある範囲です。
USB Type-C ポートで FRS をサポートするために、この統合型昇降圧チャージャは斬新なバックアップ・モードを実装しています。この文脈で「バックアップ・モード」とは、バス電圧のクラッシュを招かずに、昇降圧チャージャを順方向充電モードから逆方向の OTG モードに非常に高速に切り替えることを意味します。
図 3 のアプリケーション回路図を参照すると、USB ポートに接続したアダプタがシステムに電力を供給し、昇降圧電力段経由でバッテリを充電しています。同時に、このアダプタはチャージャの PMID 出力からアクセサリに電力を供給すること

図 4. VBUS シンク (VBUS は電力を引き込み) から VBUS ソース(VBUS から電力を供給) に切り替えたときの、昇降圧チャージャのFRS (高速な役割の切り替え)もできます。アダプタを取り外した時点で、バッテリの内部FET が引き続き電力を供給することも可能ですが、その場合は PMID に接続してあるアクセサリが電力を受け取れなくな昇降圧充電の実装る可能性があります。

ここまでに説明したすべての機能は、USB PD 充電ソリュー

バックアップ・モードが有効な場合、このチャージャは VBUS

ションのシステム・レベルの設計を簡略化するのに役立つもの電圧を監視できます。VBUS の電圧が、プリセット済みのスので、TI の BQ25790 と BQ25798 の昇降圧チャージャに実レッショルドを下回った場合、アダプタが取り外されたことを意装済みです。これらのデバイスは、3.6V～24V の入力電圧を味します。このような取り外しを検出した場合、チャージャは最使用して 1 セルの直列接続 (1S) から 4S までのバッテリに対小の遅延時間で順方向充電モードから OTG モードに切り替する充電をサポートしています。この値は、USB PD の入力わり、バッテリの放電と VBUS 電圧へのレギュレーションを実電圧範囲全体を網羅しています。

施し、単独で FRS を実現します。アダプタが取り外された時点で、システムとアクセサリに電力を供給する入力源をアダプタからバッテリにシームレスに切り替えることができます。この
結果、ブロック図に記載してある、OTG モードと FRS のための DC/DC コンバータが不要になります。
図 4 に、FRS に対応するチャージャ・バックアップ・モードのテスト済み波形を示します。入力電源として 9V アダプタをUSB1 に接続しています。ACFET1 とRBFET1 をオンにすることで、VBUS をアダプタと接続しています。PMID 端子に 1A のアクセサリ電流が流れ、BAT に 1Aの充電電流が流れるとしましょう。9V のアダプタ電圧 (VAC)を取り外した時点で、PMID と VBUS で 5V のレギュレーションを継続し、1A の PMID 負荷に引き続き電力を供給することが可能です。

昇降圧バッテリ・チャージャと USB Type-C® パワー・デリバリの組み合わせで最大の電力密度を実現

4May 2022

BQ25790 と BQ25798 は、以下の機能を搭載しています。

関連資料• デュアル入力電源マルチプレクサ：入力電力供給源のパ• テキサス・インスツルメンツ：『BQ25790 デュアル入力セレ

ワー・パス・マネージメントと選択に対応。
• USB バッテリ充電仕様 1.2 と高電圧専用充電ポート・アダプタの検出機能。
• 入力電流センシング、レギュレーション、保護の各回路。
• 4 個のスイッチング MOSFET：昇降圧コンバータ向け。
• 1 個のバッテリ MOSFET：NVDC パワー・パス・マネージ
メントと電流センサの充電に使用。
• 1 個の 16 ビット A/D コンバータ：監視とシステム性能最クタおよび USB PD 3.0 OTG 出力付き、I2C 制御、1～4セル、5A 昇降圧バッテリ・チャージャ』データシート (英語)• テキサス・インスツルメンツ：『BQ25790EVM (BMS027)
評価基板』ユーザー・ガイド (英語)• テキサス・インスツルメンツ：『BQ25798 デュアル入力セレ
クタ、ソーラー・パネル用 MPPT、高速バックアップ・モード付き、I2C 制御、1～4 セル、5A 昇降圧バッテリ・チャージ
ャ』データシート (英語)

適化向け。
• USB Type-C の OTG 動作と FRS 動作。
これらの機能は、2.9mm x 3.3mm の WCSP (ウェハー・チップ・スケール・パッケージ) または 4mm x 4mm の QFN (クワッド・フラット、リードなし) パッケージで利用できます。この充電ソリューション全体は、45W の電力を供給することができ、およそ 100W/in2 (150mW/mm2) の電力密度を達成しています。この値は、競合デバイスの 2 倍以上の値です。

まとめ
小型のポータブル・エレクトロニクスは、昇降圧チャージャの利点を活用できます。この種のチャージャは、より高速な充電を実現するほか、複数の部品を内蔵して電力密度を最大化し、設計全体のフットプリントを小規模にとどめ、BOM (部品表) を低減するからです。USB Type-C PD アダプタと組み合わせることで、昇降圧チャージャは高速充電 OTG (On-theGo) を実現し、ユーザーの使い勝手の改善と利便性の向上に貢献します。

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