新しい USB-C アプリケーション向けのバッテリ充電

USB Type-C 充電は、多くの家庭用品に同じ USB Type-C コードを使用できて便利なことから消費者の間で人気が高まっています。USB Type-C は、電動工具や電動アシスト自転車のような大電力アプリケーションにも対応できるように拡張を続けています。図 1 に示すように、USB Type-C は、以前は標準電力範囲 (SPR) で最大 100W の電力をサポートしていましたが、現在では拡張電力範囲 (EPR) で最大 240W をサポートするようになっています。

SPR と EPR を含むさまざまな種類の USB Type-C ソースから充電できるようにするという目標を達成するには、USB Type-C PD EPR の電圧範囲全体に対応できるアプリケーションを設計することが課題になります。5 セルのリチウムイオン バッテリと USB Type-C 入力を使用して設計したリーフ ブロワーについて考えてみます。バッテリはリチウムイオンであるため、各バッテリ セルのフル充電電圧は 4.2V であり、バッテリ パックのフル充電時の電圧 (V_BATT) は 21V となります。リーフ ブロワーの充電にはさまざまな USB 電源アダプタを使用できますが、この例では 45W または 140W の USB Type-C 電源アダプタを使用するものと仮定します。この場合、バッテリ チャージャへの入力電圧 (V_IN) は 15V または 28V となります。次に、以下の要件を満たす方法を考えます。

• V_IN > V_BATT または V_IN < V_BATT のときにバッテリを充電する。
• 充電時間を最小限に抑えるためにできるだけ早くバッテリを充電する。
• 充電中は過熱防止のためにリーフ ブロワーを冷却する。
• セル数が異なるさまざまなプラットフォームに単一のチャージャ IC を使用する。

これらの各要件に対応する部品は、外部スイッチング FET (電界効果トランジスタ) を備えた昇降圧バッテリ充電コントローラです。チャージャの昇降圧部分は、V_IN > V_BATT または V_IN < V_BATT という最初の要件に対応します。図 2 に示す構成で 4 つの FET と 1 つのインダクタを使用することで、バッテリ チャージャを V_IN > V_BATT のときは降圧モード (図 3) で、V_IN < V_BATT のときは昇圧モード (図 4) で動作させることができます。

外部 FET は、2 番目の要件に対応します。外部 FET を使用することで、放熱性能が向上し、充電電流能力が高くなって充電時間を短縮できます。さらに、外部 FET により、充電中に熱を分散する面積も多くなります。これらの理由から、外部の金属酸化膜半導体 FET 昇降圧バッテリ チャージャを採用することで、新しい USB PD EPR レベルに対応できるアプリケーションを設計し、迅速な充電環境を実現することができます。