500mA USBポートまたはPCMCIAポートから GSM通信用2Aパルスを供給 − デザインノート307 Dongyan Zhou はじめに USBまたはPCMCIAからのGSMモデムへの電力供給 GSMモデムは無線データ通信のソリューションとして普及しています。ただし、電圧レギュレータで利用できる最大入力電流を超える大きな電流バーストを頻繁に必要とします。多くはU S B ポート（4 . 5 V 〜5 . 5 V の入力）または PCMCIAポート（3V〜3.6Vの入力）から電力を供給することができ、この場合、最大2Aの電流パルスを流すRF パワー・アンプに3.xVを供給する必要があります。USBポートまたはPCMCIAポートからの入力は500mAに電流が制限されているので、入力電流制限付きの高効率昇降圧コンバータが最適の電源ソリューションを与えます。高効率により平均出力電力が最大化されますが、高電流パルスが流れるあいだ電圧を保つには大きな出力コンデンサを使います。 USBまたはPCMCIAから電力を供給される昇降圧コンバータを図1に示します。入力電流制限はLT1490Aデュアル・マイクロパワー・オペアンプの半分を使って実現されています。このオペアンプは入力電流を500mAに制限する電流源として構成されています。LT1490Aの他の半分はバッファとして使われています。与えられたパルス負荷に対する効率を図2に示します。 VRIPPLE _ BULK = VIN 3V TO 5V USB/PCMCIA POWER 500mA MAX RSENSE 0.1Ω 7 8 C1 10µF 2 1 4 SW1 SW2 LTC3440 6 VIN VOUT 、LTC、LTおよびBurst Modeはリニアテクノロジー社の登録商標です。 BestCapはAVX Corporationの商標です。 PowerStorはCooper Electronics Technologiesの登録商標です。 SHDN/SS FB MODE/SYNC RT VC GND 9 R1 392k R6 100k 1N914 RT 62k R5 24.3k VIN + R4 1k 1/2 LT1490A – 2N3906 + – 5 100 95 90 C2 2200µF ×2 R2 200k C1: TAIYO YUDEN JMK212BJ106MG C2: SANYO MV-AX SERIES L1: SUMIDA CDRH4028-100 ICURRENTLIMIT = 1.22 • R4 R5 • RSENSE VOUT 3.6V 2.1A (PULSED) + 1/2 LT1490A C5 10nF 10 COUT ここで、IPULSEとtONは伝送バースト中のピーク電流とオン時間で、ISTANDBYは待機モードの電流です。上記は最悪条件での近似で、パルスのエネルギーはすべて出力コンデンサが供給していると仮定しています。 L1 10µH 3 (IPULSE – ISTANDBY ) • tON EFFICIENCY (%) LTC®3440降圧/昇圧コンバータは、USBまたはPCMCIA から電力を供給できるGSMモデム用の小型で高効率のソリューションです。同期式の昇降圧動作をおこなうための 4個のスイッチを内蔵しており、インダクタを1個しか必要としないので、コストとボードのスペースを節約することができます。小型10ピンMSOPパッケージで供給され、最大2MHzまで動作するので、小型の表面実装部品を使用することができます。バースト・モード動作時の消費電流はわずか25μAです。LTC3440はさらにシャットダウン時に出力を入力から切り離します。これは多くのUSBのアプリケーションで必要です。パルス電流の大きさと継続時間およびリップル電圧の仕様にしたがって、出力コンデンサが選択されます。コンデンサのESRと、サイクル毎にコンデンサに蓄積される電荷の両方が出力電圧リップルに寄与します。電荷による出力電圧リップルはおよそ次のとおりです。 85 80 75 70 65 DN307 F01 60 3 3.5 4 4.5 INPUT VOLTAGE (V) 5 5.5 DN307 F02 図2．図1のコンバータの効率（パルス負荷： 4.6ms以内に1.15msのあいだ1.2A、3.45ms 図1．USBまたはPCMCIAからGSMモデムに電力を供給するコンバータのあいだ80mA） 03/03/307 コンデンサのESRによるリップルは次のとおりです。 INPUT CURRENT 500mA/DIV VRIPPLE_ESR = (IPULSE – ISTANDBY) • ESR 出力リップルを低く抑えるには低いESRと大きな容量が重要です。このアプリケーションでは、三洋電機の2200μFの電解コンデンサが2個使われています。各コンデンサのESRは 38mΩ以下です。非常に低いプロフィールを必要とするアプリケーション用に、AVXのBestCapTMシリーズとCOOPER のPowerStor®Aerogelコンデンサは、高さが2mmのパッケージで非常に大きな容量と低いESRを提供しています。 OUTPUT VOLTAGE RIPPLE 200mV/DIV LOAD CURRENT 2A/DIV 1ms/DIV 図3．入力電流（上）と、パルス負荷（下）での出力電圧リップル（中）の各波形 GSM標準では4.6msの周期内で575μsの伝送バースト（1/ 8のデューティ・ファクタ）を規定しています。図1のコンバータは、入力電圧が3Vまで下がっても最大500mAの入力電流で、各伝送バースト中に最大2 . 1 A 、待機中に 100mAを供給可能です。最小入力電圧がもっと高いか、 500mAの入力電流制限がUSB入力（4.5V〜5.5V）にしか必要ない場合、出力からもっと大きな電力を供給することができます。出力電圧リップルおよび入力電流と出力電流を図3に示します。他の標準（GPRSなど）ではさらに高いデータ・レートが規定されています。よく使われる条件では、 4.6msの周期内で1.15msの伝送バースト（1/4のデューティ・ファクタ）を必要とします。コンバータは待機電流が 80mAのとき1.2Aのパルス電流を供給することができますが、この場合も3.0Vの最小入力電圧と500mAの電流制限を仮定しています。出力リップルは図3に似ていますが、 ESRに起因するリップルは負荷ステップがもっと小さいためもっと小さくなります。 (OTG)」です。 USB OTGはUSB 2.0仕様への新しい補足仕様で、USB周辺機器に接続するためのホスト機能を追加して機能を拡大します。これらのUSB OTGの2役兼務のデバイスには、USB周辺機器に電力を供給するための5Vコンバータが必要です。LTC3440は高効率で低消費電流、さらにシャットダウン時の切り離し機能付きの小型のソリューションを与えます。正確な電流制限もLT ® 1490A デュアル・オペアンプを使って実現することができます。 100mAの電流制限付きコンバータを図4に示します。効率のグラフは図5に示します。軽負荷時の効率を最適化するには、MODE/SYNCピンを H に引き上げてバースト・モード動作をイネーブルすることができます。この場合、消費電流はわずか25μAです。まとめ LTC3440同期式昇降圧コンバータはGSMモデムとUSB OTGデバイスに対する最適ソリューションを与えます。 LDOとカスケード接続した従来のSEPICコンバータまたは昇圧コンバータに較べて、LTC3440コンバータは効率がはるかに高く、部品点数が少なく、小型です。「USB On-The-Go」デバイス内の5Vコンバータ USBを使った携帯機器が普及するにつれ、PCが利用できないときそれらの機器が相互に直接通信する必要性が増しています。その結果登場したのが「U S B O n - T h e - G o RSENSE 0.5Ω L1 10µH 7 8 4 SW1 SW2 LTC3440 6 VIN VOUT SHDN/SS FB 9 R6 100k 1/2 LT1490A – RT 62k 1/2 LT1490A 100 90 C1: TAIYO YUDEN JMK212BJ106MG C2: TAIYO YUDEN JMK325BJ226MM L1: SUMIDA CDRH4028-100 *1 = Burst Mode OPERATION 0 = FIXED FREQUENCY 2N3906 – 85 80 75 70 65 ICURRENTLIMIT = 1.22 • R4 R5 • RSENSE DN307 F04 図4．USB互換デバイスに電力を供給するコンバータデータシートのダウンロード http://www.linear-tech.co.jp/ds/j3440f.html IOUT = 100mA 95 R2 200k R5 24.3k + R4 1k R1 619k + 1N914 C5 10nF C1 10 2 10µF MODE/SYNC VC * 6.3V 5 1 X5R RT GND VOUT 5V 100mA EFFICIENCY (%) 3 VIN 2.7V TO 5.5V Li-Ion/WALL PLUG C2 22µF 6.3V X5R DN307 F03 60 2.7 3 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8 5.1 5.4 5.7 INPUT VOLTAGE (V) DN307 F05 図5．図4のコンバータの効率お問い合わせは当社または下記代理店まで（50 音順）東京エレクトロンデバイス株式会社株式会社トーメンエレクトロニクス〒 224-0045 横浜市都筑区東方町 1 TEL(045)474-5114 FAX(045)474-5617 〒 108-8510 東京都港区港南 1-8-27 TEL(03)5462-9615 FAX(03)5462-9695 リニアテクノロジー株式会社 102-0094 東京都千代田区紀尾井町3-6 秀和紀尾井町パークビル 8F TEL(03)5226-7291 FAX(03)5226-0268 http://www.linear-tech.co.jp dn307f 0303 6K • PRINTED IN JAPAN  LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION 2003