LTC4100 スマート・バッテリ・ チャージャ・コントローラ 特長 概要 シングルチップ・スマート・バッテリ・チャージャ・コントローラ ■ 100% 準拠 (Rev 1.1) の SMBusサポートにより、 ホストの有無に関係なく動作可能 ■ SMBusアクセラレータにより、 SMBusタイミングを改善 ■ 広い出力電圧範囲:3.5V ∼ 26V ■ ハードウェア割込みとSMBAlert 応答により 割込みポーリングが不要 ■ 高効率の同期整流式降圧チャージャ ■ 損失電圧:0.5V、 最大デューティ・サイクル > 98% ■ ACアダプタ電流制限により、 最大充電レートを実現 ■ ±0.8%の電圧精度、 ±4%の電流精度 ■ 最大 4Aの充電電流能力 ■ 充電電流設定用の10ビットDAC ■ 充電電圧設定用の11ビットDAC ■ ユーザが選択可能な過電圧および過電流制限 ■ 高いノイズ耐性をもつSafetySignalセンサ ■ 24ピンSSOP パッケージ スマート・バッテリ・チャージャLTC®4100は、SBS 準拠システ ムの構築を大幅に簡素化するシングル・チップ充電ソリュー ションです。LTC4100はレベル2チャージャ機能を実装してお り、チャージャはバッテリまたはホストによってプログラム可能 です。充電されているバッテリのSafetySignalをモニタして、温 度、接続状態、バッテリ・タイプの情報を得ることができます。 AC 電源アダプタを取り外してもSMBusインタフェースは動作 したままで、 (ChargerStatusコマンドによる)SafetySignalステー タスを含む、命令されたすべてのSMBusアクティビティに応答 します。また、 (バッテリの取外し、ACアダプタの接続などの) 状態変化が検出されるたびに、チャージャはホストへの割込 みを行います。 ■ アプリケーション ■ ■ 携帯機器と携帯コンピュータ データ格納システムとバッテリ・バックアップ・サーバ 充電電流と充電電圧は、システムの安全性と信頼性を向上さ せるために、ケミストリ固有の限界値に制約されます。限界値 は2 本の外付け抵抗でプログラムできます。さらに、ACアダプ タからの最大平均電流をプログラム可能なので、負荷電流と 充電電流を同時に供給する際にアダプタに過負荷がかかるの を防止できます。システム負荷電流を供給する場合、充電電 流が自動的に低減され、アダプタの過負荷を防ぎます。 L、 LT、 LTC、 LTM、 Linear TechnologyとLinearのロゴはリニアテクノロジー社の登録商標です。 PowerPathはリニアテクノロジー社の商標です。その他すべての商標の所有権は、それぞれの 所有者に帰属します。6650174, 5723970を含む米国特許によって保護されています。 標準的応用例 DCIN 3V TO 5.5V 1.21k 17 11 6 CHGEN 10 ACP 7 9 8 15 16 13 1.13k 14 10k 54.9k SMBALERT# 0.1µF 13.7k 20 LTC4100 VDD DCIN DCDIV INFET CHGEN CLP CLN ACP SMBALERT TGATE SCL BGATE SDA PGND THB CSP THA BAT ILIM VSET VLIM ITH IDC GND 0.068µF 0.1µF 5 4 0.033Ω PART LTC4101 LTC4100 5k 24 23 SYSTEM LOAD 20µF 1 3 SMART BATTERY 0.025Ω 10µH 2 20µF 21 22 18 19 12 0.01µF 6.04k 100Ω 0.0015µF 0.12µF 0.1µF SafetySignal SMBCLK SMBDAT VBAT < 5.5V > 5.5V SMBCLK 図 1.4Aスマート・バッテリ・チャージャ 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 SMBDAT 4100 TA01 4100fc 1 LTC4100 絶対最大定格 ピン配置 (Note 1) VDD からGNDの電圧..................................................7V/ − 0.3V CHGEN、DCDIV、SDA、 SCL、SMBALERTからGNDの電圧.............................7V/ − 0.3V DCIN、CLP、CLNからGNDの電圧 ...........................32V/ − 0.3V CLPからCLNの電圧 ........................................................ ±0.3V GND 基準のPGND ............................................................ ±0.3V CSP、BATからGND .....................................................28V/ − 5V 動作周囲温度範囲(Note 4).............................. − 40°C ~ 85°C 接合部温度範囲............................................... − 40°C ~ 125°C 保存温度範囲................................................... − 65°C ~ 150°C リード温度(半田付け、10 秒)..........................................300°C TOP VIEW TGATE 1 24 CLP PGND 2 23 CLN BGATE 3 22 BAT INFET 4 21 CSP DCIN 5 20 IDC CHGEN 6 19 ITH SMBALERT 7 18 VSET SDA 8 17 VDD SCL 9 16 THA ACP 10 15 THB DCDIV 11 14 VLIM GND 12 13 ILIM G PACKAGE 24-LEAD PLASTIC SSOP TJMAX = 125°C, θJA = 90°C/W 発注情報 無鉛仕上げ テープアンドリール 製品マーキング パッケージ 温度範囲 LTC4100EG#PBF LTC4100EG#TRPBF 鉛仕上げ テープアンドリール LTC4100EG 24-Lead Plastic SSOP –40°C to 85°C 製品マーキング パッケージ 温度範囲 LTC4100EG LTC4100EG#TR LTC4100EG 24-Lead Plastic SSOP –40°C to 85°C さらに広い動作温度範囲で規定されるデバイスについては、弊社または弊社代理店にお問い合わせください。 無鉛仕上げの製品マーキングの詳細については、http://www.linear-tech.co.jp/leadfree/ をご覧ください。 テープ・アンド・リールの仕様の詳細については、http://www.linear-tech.co.jp/tapeandreel/ をご覧ください。 電気的特性 ● は全動作温度範囲の規格値を意味する。それ以外は TA = 25 Cでの値。注記がない限り、VDCIN = 20V、VDD = 3.3V、VBAT = 12V (Note 4)。 SYMBOL PARAMETER CONDITIONS DCIN Operating Range MIN ● IDCIN DCIN Operating Current Charging, Sum of Currents on DCIN, CLP and CLN VTOL Charge Voltage Accuracy (Note 2) ITOL Charge Current Accuracy (Note 3) VDD TYP 6 3 MAX UNITS 28 V 5 mA ● –0.8 –1 0.8 1 % % VCSP – VBAT Target = 102.3mV IDAC = 0xFFFF ● –4 –5 4 5 % % VDD Operating Voltage 0V ≤ VDCIN ≤ 28V ● 3 5.5 V Battery Leakage Current DCIN = 0V, VCLP = VCLN = VCSP = VBAT ● 15 35 µA Undervoltage Lockout Threshold DCIN Rising, VBAT = 0V ● 4.7 5.5 V VDD Power-Fail Part Held in Reset Until this VDD Present ● 3 V DCIN Current in Shutdown VCHGEN = 0V 3 mA Shutdown UVLO 4.2 2 4100fc 2 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 電気的特性 ● は全動作温度範囲の規格値を意味する。それ以外は TA = 25 Cでの値。注記がない限り、VDCIN = 20V、VDD = 3.3V、VBAT = 12V (Note 4)。 SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS Current Sense Amplifier, CA1 Input Bias Current into BAT Pin CMSL CA1/I1 Input Common Mode Low CMSH CA1/I1 Input Common Mode High 11.66 ● VDCIN ≤ 28V µA 0 V VCLN –0.2 ● V Current Comparators ICMP and IREV ITMAX Maximum Current Sense Threshold (VCSP –VBAT) VITH = 2.5V ITREV Reverse Current Threshold (VCSP –VBAT) ● 140 165 200 – 30 mV mV Current Sense Amplifier, CA2 Transconductance 1 mmho Source Current Measured at ITH, VITH = 1.4V –40 µA Sink Current Measured at ITH, VITH = 1.4V 40 µA 1.5 mmho Current Limit Amplifier Transconductance VCLP Current Limit Threshold ICLN CLN Input Bias Current ● 93 100 107 100 mV nA Voltage Error Amplifier, EA Transconductance Measured at ITH, VITH = 1.4V Sink Current OVSD Overvoltage Shutdown Threshold as a Percent of Programmed Charger Voltage 1 mmho 36 µA ● 102 107 110 ● 0 0.17 0.25 25 50 % Input P-Channel FET Driver (INFET) DCIN Detection Threshold (VDCIN –VCLP) DCIN Voltage Ramping Up from VCLP –0.05V Forward Regulation Voltage (VDCIN –VCLP) ● Reverse Voltage Turn-Off Voltage (VDCIN –VCLP) ● –60 –25 ● 5 5.8 INFET ON Clamping Voltage (VDCIN –VINFET) IINFET = 1µA INFET OFF Clamping Voltage (VDCIN –VINFET) IINFET = –25µA V mV mV 6.5 V 0.25 V 345 kHz Oscillator fOSC Regulator Switching Frequency fMIN Regulator Switching Frequency in Drop Out DCMAX Regulator Maximum Duty Cycle 255 300 Duty Cycle ≥ 98% 20 25 kHz VCSP = VBAT 98 99 % Gate Drivers (TGATE, BGATE) VTGATE High (VCLP-VTGATE) ITGATE = –1mA 50 mV VBGATE High CLOAD = 3000pF 4.5 5.6 10 V VTGATE Low (VCLP-VTGATE) CLOAD = 3000pF 4.5 5.6 10 V 50 mV VBGATE Low IBGATE = 1mA TGTR TGTF TGATE Transition Time TGATE Rise Time TGATE Fall Time CLOAD = 3000pF, 10% to 90% CLOAD = 3000pF, 10% to 90% 50 50 110 100 ns ns BGTR BGTF BGATE Transition Time BGATE Rise Time BGATE Fall Time CLOAD = 3000pF, 10% to 90% CLOAD = 3000pF, 10% to 90% 40 40 90 80 ns ns VTGATE at Shutdown (VCLN-VTGATE) ITGATE = –1µA 100 mV VBGATE at Shutdown ITGATE = 1µA 100 mV 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 3 LTC4100 電気的特性 ● は全動作温度範囲の規格値を意味する。それ以外は TA = 25 Cでの値。注記がない限り、VDCIN = 20V、VDD = 3.3V、VBAT = 12V (Note 4)。 SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS 1.14 1.20 1.26 V AC Present Comparator VACP DCDIV Threshold VDCDIV Rising from 1V to 1.4V ● DCDIV Hysteresis 25 mV DCDIV Input Bias Current VDCDIV = 1.2V –1 ACP VOH IACP = –2mA 2 1 µA ACP VOL IACP = 1mA 0.5 V DCDIV to ACP Delay VDCDIV = 1.3V 10 µs V SafetySignal Decoder SafetySignal Trip (RES_COLD/RES_OR) RTHA = 1130Ω ±1%, CTH = 1nF (Note 6) RTHB = 54.9kΩ ±1% ● 95 100 105 kΩ SafetySignal Trip (RES_IDEAL/RES_COLD) RTHA = 1130Ω ±1%, CTH = 1nF (Note 6) RTHB = 54.9kΩ ±1% ● 28.5 30 31.5 kΩ SafetySignal Trip (RES_HOT/RES_IDEAL) RTHA = 1130Ω ±1%, CTH = 1nF (Note 6) RTHB = 54.9kΩ ±1% ● 2.85 3 3.15 kΩ SafetySignal Trip (RES_UR/RES_HOT) RTHA = 1130Ω ±1%, CTH = 1nF (Note 6) RTHB = 54.9kΩ ±1% ● 425 500 575 Ω Time Between SafetySignal Measurements DCDIV = 1.3V DCDIV = 1V 250 ms ms Charging Current Resolution Guaranteed Monotonic Above IMAX/16 Charging Current Granularity RILIM = 0 RILIM = 10k ±1% RILIM = 33k ±1% RILIM = Open (or Short to VDD) Wake-Up Charging Current (IWAKE-UP) All Values of RILIM All Values of RVLIM Charging Current Limit CSP – BAT RILIM = 0 (0-1A) Charging Current = 0x03FF (0x0400 Note 7) 97.3 107.3 mV RILIM = 10k ±1% (0-2A) Charging Current = 0x07FE (0x0800 Note 7) 97.3 107.3 mV RILIM = 33k ±1% (0-3A) Charging Current = 0x0BFC (0x0C00 Note 7) 72.3 82.3 mV RILIM = 0pen (or Short to VDD) (0-4A) Charging Current = 0x0FFC (0x1000 Note 7) 97.3 107.3 mV Guaranteed Monotonic (2.9V ≤ VBAT ≤ 28V) 11 32 DACs Charging Voltage Resolution 10 1 2 4 4 mA mA mA mA 80 (Note 5) Charging Voltage Granularity Charging Voltage Limit Bits mA Bits 16 mV RVLIM = 0 Charging Voltage = 0x2260 (Note 7) 8.730 8.800 8.870 V RVLIM = 10k ±1% Charging Voltage = 0x3330 (Note 7) 12.999 13.104 13.209 V RVLIM = 33k ±1% Charging Voltage = 0x4400 (Note 7) 17.269 17.408 17.547 V RVLIM = 100k ±1% Charging Voltage = 0x5400 DCIN ≥ 22V (Note 7) 21.538 21.712 21.886 V RVLIM = 0pen (or Short to VDD) Charging Voltage = 0x6D60 DCIN ≥ 29V (Note 7) 27.781 28.006 28.231 V 4100fc 4 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 電気的特性 ● は全動作温度範囲の規格値を意味する。それ以外は TA = 25 Cでの値。注記がない限り、VDCIN = 20V、VDD = 3.3V、VBAT = 12V (Note 4)。 SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS Logic Levels VIL SCL/SDA Input Low Voltage VDD = 3V and VDD = 5.5V ● VIH SCL/SDA Input High Voltage VDD = 3V and VDD = 5.5V ● ● VOL SDA Output Low Voltage IPULL-UP = 350µA IIL SCL/SDA Input Current VSDA, VSCL = VIL IIH SCL/SDA Input Current VSDA, VSCL = VIH VOL SMBALERT Output Low Voltage IPULL-UP = 500µA SMBALERT Output Pull-Up Current VSMBALERT = VOL ILEAK SDA/SCL/SMBALERT Power Down Leakage VSDA, VSCL, VSMBALERT = 5.5V, VDD = OV ● VOL CHGEN Output Low Voltage IOL = 100µA ● CHGEN Output Pull-Up Current VCHGEN = VOL 0.8 2.1 0.4 V 1 µA –1 1 µA ● CHGEN Input Low Voltage CHGEN Input High Voltage VDD = 3V VDD = 5.5V Power-On Reset Duration VDD Ramp from 0V to >3V in <5µs –10 –2 –17.5 VIL V –1 –17.5 VIH –10 ● ● V 2.5 0.4 V –3.5 µA 2 µA 0.5 V –3.5 µA 0.9 V 3.9 V V 100 µs SMBus Timing (Refer to System Management Bus Specification, Revision 1.1, Section 2.1 for Timing Diagrams) tHIGH SCL Serial Clock High Period IPULL-UP = 350µA, CLOAD = 250pF, RPU = 9.31k, VDD = 3V and VDD = 5.5V ● 4 tLOW SCL Serial Clock Low Period IPULL-UP = 350µA, CLOAD = 250pF, RPU = 9.31k, VDD = 3V and VDD = 5.5V ● 4.7 tR SDA/SCL Rise Time CLOAD = 250pF, RPU = 9.31k, VDD = 3V and VDD = 5.5V tF SDA/SCL Fall Time tSU:STA µs 15000 µs ● 1000 ns CLOAD = 250pF, RPU = 9.31k, VDD = 3V and VDD = 5.5V ● 300 ns Start Condition Setup Time VDD = 3V and VDD = 5.5V ● 4.7 µs tHD:STA Start Condition Hold Time VDD = 3V and VDD = 5.5V ● 4 µs tHD:DAT SDA to SCL Falling-Edge Hold Time, Slave Clocking in Data VDD = 3V and VDD = 5.5V ● 300 ns tTIMEOUT Time Between Receiving Valid ChargingCurrent() VDD = 3V and VDD = 5.5V and ChargingVoltage() Commands ● 140 175 210 sec Note 1:絶対最大定格に記載された値を超えるストレスは、デバイスに永続的損傷を与える可 能性がある。長期にわたって絶対最大定格条件にさらすと、デバイスの信頼性と寿命に悪影 響を与える可能性がある。 Note 5:電流精度は補償回路とセンス抵抗に依存する。 Note 2:テスト回路を参照。 Note 7:この値以上の16 進数値が用いられると該当するオーバーレンジ・ビットがセットされ る。 Note 3:電流センス抵抗の許容誤差は含まない。 Note 6:CTH は、THA、THBおよび SafetySignalの各容量の総和として定義される。 Note 4:LTC4100Eは0°Cから70°Cの温度範囲で性能仕様に適合することが保証されている。− 40°Cから85°Cの動作温度範囲での仕様は、設計、特性評価および統計的プロセス・コントロー ルとの相関で確認されている。 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 5 LTC4100 標準的性能特性 逆電流に対するINFET の応答時間 デモボードでテスト実施 0 Vgs OF PFET (2V/DIV) Vs = 0V Id (REVERSE) OF PFET (5A/DIV) Id = 0A 300 –1.0 PWM FREQUENCY (kHz) Vs OF PFET (5V/DIV) 350 –0.5 OUTPUT VOLTAGE ERROR (%) Vgs = 0 –1.5 –2.0 –2.5 –3.0 –3.5 –4.0 TEST PERFORMED ON DEMOBOARD VCHARGE = 12.6V VIN = 15VDC CHARGER = ON INFET = 1/2 Si4925DY ICHARGE = <10mA 4100 G01 1A STEP 3A STEP RECONNECT 19V VDCIN での効率 VDCIN = 0V 12.6V 20 15 10 90 85 80 5 0 5 10 15 20 BATTERY VOLTAGE (V) 25 75 30 0.50 低電流動作 SMBusアクセラレータの動作 90 0.5 VDD = 5V TEMP = 27°C 0.4 DCIN = 15V LTC4100 85 RPULLUP = 15k 0V 0.3 NO LOW CURRENT MODE 0.2 LOW CURRENT MODE 0.1 0 1.00 1.50 2.00 2.50 CHARGING CURRENT (A) –0.1 3.00 1µs/DIV 4100 G07 3.00 4100 G06 VDD = 5V 5V CBUS = 200pF TA = 25°C 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 CHARGING CURRENT (A) 4100 G05 MEASURED CURRENT (A) EFFICIENCY (%) 16.8V 95 25 15V VDCIN、12.6Vでの効率 75 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 DUTY CYCLE (VOUT/VIN) 100 4100 G04 80 0 4100 G03 30 0 95 DCIN = 15V DCIN = 20V DCIN = 24V 35 LOAD CURRENT = 1A, 2A, 3A DCIN = 20V VFLOAT = 12.6V 100 PROGRAMMED CURRENT = 10% 100 0 EFFICIENCY (%) BATTERY LEAKAGE CURRENT (µA) 3A STEP DISCONNECT 150 バッテリのリーク電流と バッテリ電圧 40 LOAD STATE 200 4100 G02 バッテリの切断 / 再接続 (負荷ダンプ) 1A STEP 250 50 –4.5 DCIN = 20V VBAT = 12.6V –5.0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 OUTPUT CURRENT (A) 1.25µs/DIV VFLOAT 1V/(DIV) PWM 周波数と デューティ・サイクル 出力電圧と出力電流 4100 G08 0 PROGRAMMED CURRENT 0.2 0.1 0.3 PROGRAMMED CURRENT (A) 0.4 4100 G09 4100fc 6 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 標準的性能特性 充電電流誤差 0.4 OUTPUT VOLTAGE ERROR (V) VDD = 5V TEMP = 27°C VLOAD = 12V 0.3 OUTPUT CURRENT ERROR (A) 充電電圧誤差 0.150 0.2 0.1 0 –0.1 –0.2 DCIN = 15V, NoLowI DCIN = 20V, NoLowI DCIN = 15V, LowI DCIN = 20V, LowI –0.3 –0.4 0 2 1 3 CHARGING CURRENT (A) VDD = 5V 0.125 TEMP = 27°C 0.100 ILOAD = 0.120A 0.075 0.050 DCIN = 20V 0.025 DCIN = 15V 0 –0.025 –0.050 –0.075 –0.100 –0.125 4 –0.150 0 2 4100 G10 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 CHARGING VOLTAGE (V) 4100 G11 ピン機能 TGATE(ピン1) :バッテリ・チャージャ降圧コンバータのトップ 外部 P-MOSFETをドライブします。 PGND (ピン2) :BGATEドライバの高電流グランド・リターン。 BGATE(ピン3) :バッテリ・チャージャ降圧コンバータのボトム 外部 N-MOSFETをドライブします。 INFET(ピン4) :外部入力P-MOSFETのゲートをドライブします。 DCIN(ピン5) :外部 DC 電源入力。0.1μFでグランドにバイパ スします。 CHGEN(ピン6) :チャージャ機能をイネーブルするデジタル双 方向ピン。このピンはワイヤードAND バスとして接続されてい ます。 以下のイベントはChargerStatusレジスタのPOWER_FAILビッ トをセットします。 1. 外部デバイスによりCHGEN 信号が 0.9V ∼ GND 内に引き 下げられた。 2.ACアダプタの電圧がバッテリ電圧を上回らない。 SMBALERT (ピン7) :ホストへのアクティブ L の割り込み出力 (SMBusリビジョン1.1 仕 様ではSMBALERT# 信 号と呼ば れる)。チャージャ・レジスタのステータスの変化があったこと と、ホストの側でアクションが必要かを確認するために、ホス トが LTC4100のステータス・レジスタから読み出す必要があ ることをホストに知らせます。この信号はSMBusのオプション のSMBALERT#ラインに接続可能です。VDD への弱い電流 源プルアップ付きオープン・ドレイン出力です (ショットキー・ダ イオードを備えているので外部で5Vにプルアップできます)。 SDA(ピン8) :ホストが制御するメインSMBus からのSMBus データ信号。外部プルアップ抵抗が必要です。 SCL(ピン9) :ホストが制御するメインSMBus からのSMBus クロック信号。外部プルアップ抵抗が必要です。 ACP(ピン10) :この出力はDCDIVコンパレータの値を示しま す。ACアダプタ電源の有無を示すのに利用できます。 DCDIV(ピン11) :電源分圧器からの入力。1.2Vのスレッショ ルド (立ち上がりエッジ) とヒステリシスをもった、ハイ・イン ピーダンスのコンパレータ入力です。 GND (ピン12) :デジタルおよびアナログ回路のグランド。 ILIM(ピン13) :外部抵抗をこのピンとGND 間に接続します。 外部抵抗の値により、設定されたチャージャ電流の範囲およ び分解能がプログラムされます。これはデジタル機能でアナロ グではありません。 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 7 LTC4100 ピン機能 VLIM(ピン14) :外部抵抗をこのピンとGND 間に接続します。 外部抵抗の値により、チャージャ電圧の範囲および分解能が プログラムされます。これはデジタル機能でアナログではあり ません。 THB(ピン15) :スマート・バッテリへのSafetySignalの強制 / 検出ピン。詳細に関しては、動作概要を参照してください。 THA、THBおよびSafetySignalの最大許容総容量は1nFです (図4を参照)。この回路が正常に動作するためには、このピ ンとバッテリのSafetySignalの間に54.9kの直列抵抗が必要 です。 THA(ピン16) :スマート・バッテリへのSafetySignalの強制 / 検出ピン。詳細に関しては、動作概要を参照してください。 THA、THBおよびSafetySignalの最大許容総容量は1nFです (図4を参照)。この回路が正常に動作するためには、このピ ンとバッテリのSafetySignalの間に1130Ωの直列抵抗が必要 です。 VDD(ピン17) :LTC4100のデジタル回路の電源入力。このピ ンは0.1μFでバイパスします。標準では3.3V ∼ 5.5VDC の範 囲です。 ITH(ピン19) :電流モードPWMの内部ループの制御信号。 ITH が高いほど通常動作中の充電電流は高くなります。このピ ンからGNDに接続した0.0015μFのコンデンサでPWMのリッ プルを除去します。標準のフルスケール出力電流は40μAです。 通常このピンの電圧範囲は0V ∼ 3Vです。 (ピン20) :0.068μFのコンデンサでGNDにバイパスします。 IDC CSP(ピン21) :電流アンプ CA1の入力。このピンとBATピンで センス抵抗 RSENSE の両端の電圧を測定して、ピークおよび平 均電流モード動作の両方で必要な瞬時電流信号を与えます。 BAT(ピン22) :バッテリ検出入力と電流センス抵抗の負リファ レンス。少なくとも10μFのバイパス・コンデンサが必要です。 CLN(ピン23) :入力電流制限回路ブロックへの負入力。電流 制限機能を必要としない場合は、このピンをCLPに接続しま す。スレッショルドはCLPピンの電圧より100mV 低く設定さ れています。供給電流を制限する場合はスイッチング・ノイズ を除去するためフィルタが必要です。 CLP (ピン24) :入力電流制限回路ブロックへの正入力。また、 このピンはこのICにも電力を供給します。 VSET(ピン18) :これはプログラム可能な抵抗分割器のタップ 点で、チャージャにバッテリ電圧をフィードバックします。 4100fc 8 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 ブロック図 VBAT VSET 18 C5, 0.1µF GND 11-BIT VDAC 12 DCIN SYSTEM LOAD 20µF 3k + 11.67µA 3k 0V – 1.19V + gm = 1m EA D1 Q3 PGND R1 RCL BGATE C9 CLN CLP DCIN INFET Q1 VIN 1 2 BUFFERED ITH – IREV 17mV + 100mV + CL1 – 23 24 gm = 1.5m gm = 1m 20 – CA2 + 1.19V 19 5.8V 4 C1, 0.1µF ITH VDD C7 0.0015µF R5, 6.04k C6, 0.12µF R11 1.2V R10 VIN 10µA TO HOST AND BATTERY SDA 8 17 VDD TO SMBUS POWER SUPPLY SMBus INTERFACE AND CONTROL LIMIT DECODER SCL 9 THA 54.9k C8 0.068µF 10 ACP DCDIV 11 CLP SMBALERT 7 1.13k IDC 10-BIT IDAC 5 CHGEN 6 CSP ICMP PWM LOGIC 3 20µF CSP + – S Q R Ω Q2 21 ÷5 Ω CSP TGATE 22 9k CLP L1 VBAT BAT RSENSE 1.28V OSCILLATOR WATCHDOG DETECT tON – – CA1 + Ω C4 0.01µF R4 100Ω THB 16 15 THERMISTER INTERFACE 13 14 ILIM VLIM RVLIM RILIM 10k 図2 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 9 LTC4100 テスト回路 LTC4100 21 CSP 22 18 BAT VSET + – EA VTOL = VDAC LT1055 19 ITH VBAT – VVDAC • 100 VVDAC FOR VVDAC = 17.57 V(0x 44A0) DCIN = 21V CLN = CLP = 20 V + – + 1.19V 0.6V – 4100 TC01 動作 概要(ブロック図を参照) LTC4100は、バッテリ・チャージャ、チャージャ・コントローラ、 充電電流制御用10ビットDAC、充電電圧制御用11ビット DAC、SafetySignalデコーダ、リミット・デコーダおよび SMBus コントローラ・ブロックで構成されています。バッテリが無い場 合は、SafetySignalデコーダはRES_OR 状態を示し、チャー ジャ・コントローラ (CHGEN = L ) によって充電がディスエー ブルされます。充 電は、DCDIV が L もしくはSafetySignal が RES_HOTにデコードされた場合もディスエーブルされま す。バッテリが装着され ACアダプタ電源が接続されると、 バッテリは80mAの ウェイクアップ 電流で充電されます。 SafetySignal が RES_URまたはRES_COLDにデコードされ、 バッテリまたはホストが充電命令を送らない場合、ウェイク アップ電流の供給はtTIMEOUT 後に中止されます。 SMBusインタフェース・アンド・コントロール・ブロックはSMBus を 通 してCharging Current()コ マ ン ド とChargingVoltage() コ マンド を 受 け 取 りま す。ChargingCurrent()コ マンドと ChargingVoltage()コマンド の 双 方 をtTIMEOUT インタバ ル 以内に受け取った場合、それぞれの値は電流 DACと電圧 DACに格納され、チャージャ・コントローラは、SafetySignal のデコード値が充電開始を許可する内容であれば CHGEN ラインをアクティブ な 状 態 にします。ChargingCurrent()と ChargingVoltage()の値は、制限デコーダ・ブロックがプログラ ムした制限値と比較されます。もしコマンドがプログラムされた 制限値を超えている場合、制限値は置き換えられオーバーレ ンジ・フラグがセットされます。 充 電コントローラは状 態 変 化、すなわちAC_PRESENT、 BATTERY_PRESENT、ALARM_INHIBITEDもしくはVDD POWER_FAILが検出されるたびにSMBALERTをアサートし ます。ホストはSMBusを通して、ChargerStatus() 情報を得るた めにチャージャに問い合わせることができます。SMBALERT は、ChargerStatus()の読み出しが成功するか、Alert Response Address (ARA)の要求が成功するとデアサートされます。 バッテリ・チャージャ・コントローラ LTC4100のチャージャ・コントローラは固定オフ時間、電流 モード降圧アーキテクチャを利用しています。通常動作中、 トップ MOSFETは各サイクルで発振器が SRラッチをセット するとオンし、主電流コンパレータICMP が SRラッチをリセッ トするとオフします。 トップ MOSFET がオフしている間、ボトム MOSFETはインダクタ電流が電流コンパレータIREV をトリッ プするか次のサイクルが開始するまでオンします。発振器は 次式に従ってボトムMOSFETのオン時間を設定します。 tOFF = ( VDCIN – VBAT ) (VDCIN • fOSC) その結果、ほぼ一定の周波数で動作します。コンバータの周 波数は広範囲の出力電圧にわたりほぼ一定です。この動作を 図 3に示します。 ICMP が SRラッチをリセットするピーク・インダクタ電流は、ITH の電圧により制御されます。次にITH はその時の状況に応じ、 複数のループによって制御されます。平均電流制御ループは 4100fc 10 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 動作 CSPとBAT 間の電圧を対応する電流値に変換します。エラー アンプ CA2は、この電流をIDC ピンのIDAC でプログラムされ た望みの電流と比較し、ITH をRSENSE 両端の要求電圧に調 整します。 BATの電圧はVDAC により設定された内部抵抗分割器によっ て分圧され、その分圧が 1.19Vリファレンスを上回る場合 ITH を減少させるために、エラーアンプ EAに利用されます。 アンプ CL1は、通常 ACアダプタからの入力電流をモニタし、 プリセット値(100mV/RCL)に制限します。入力電流制限で は、CL1はITH 電圧を下げて充電電流を減少させます。 過電圧コンパレータOVは、過渡オーバーシュート (7%超) か ら保護します。この場合、トップ MOSFETは過電圧状態が解 消されるまでオフします。この機能は、バッテリがそれぞれの 保護スイッチを開くことにより 負荷遮断 を行って較正やパル ス・モード充電などの動作を行うのに便利です。 PWMウォッチドッグ・タイマ TGATEピンの動作を監視するウォッチドッグ・タイマが備わっ ています。TGATE が 40μs 以 上スイッチングを停 止すると、 ウォッチドッグが作動してトップ MOSFETを約 400nsの間オフ します。ウォッチドッグは、入力や出力にセラミック・コンデンサ を使っている場合に可聴ノイズを発生させる恐れのあるドロッ プアウト時の非常に低い周波数での動作を防止します。 チャージャの起動 チャージャがイネーブルされた場合、初期電流を正だと判定 するスレッショルドをITH 電圧が超えるまでスイッチング動作 は開始されません。このスレッショルドは最大プログラム電流 の5% ∼ 15%です。チャージャがスイッチングを開始した後、 さまざまなループが初期電流より大きい、または小さいレベル で電流を制御することになります。この過渡状態の持続時間 はループ補償に依存しますが標準的には1msを下回ります。 SMBus インタフェース SMBus 上の通信はすべて、SMBusインタフェース・ブロック によって解釈されます。SMBusインタフェースはアドレスが 0x12のSMBusスレーブ・デバイスです。LTC4100の全ての 内部レジスタは、SMBusインタフェースを通して、また必要 に応じてチャージャ・コントローラを通して更新し、アクセス することが可能です。SMBusプロトコルはI2C バスから派生 したプロトコルです (このバス・プロトコルの要件の詳細に ついてはフィリップスの 「I2C Bus and How to Use It, V1.0」 お よ び SBS Implementers Forumの 「System Management Bus Specification, Version1.1」 を参照)。 全てのデータは、クロックSCLの立ち上がりエッジでシフト・ レジスタに送り込まれます。また全てのデータはクロックSCL の立ち下がりエッジでシフト・レジスタから送り出されます。 SMBusのストップ条件の検出、またはVDD パワー・フェイルに よるパワー・オン・リセットは、SMBusインタフェースを常に初 期状態にリセットします。 LTC4100のコマンド・セットはSMBusインタフェースによって 解釈され、制御信号または内部レジスタの更新情報として チャージャ・コントローラ・ブロックへ渡されます。 OFF TGATE ON ON BGATE OFF tOFF TRIP POINT SET BY ITH VOLTAGE INDUCTOR CURRENT 4100 F03 図3 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 11 LTC4100 動作 サポートされているバッテリ・チャージャ機能の概要 各機能は以下のように記述されます (表1も参照)。 FunctionName()hnn(コマンドのコード) 説明:機能の簡潔な説明。 用途:機能の用途と適切な例。 • SMBus プ ロ ト コ ル: 詳 細 はSmart Battery Charger specificationのSection 5を参照してください。 入力、出力もしくは入出力:機能により与えられる、または返 されるデータの説明。 ENABLE_POLLINGビットはLTC4100ではサポートされませ ん。このビットに書き込まれた値は無視されます。 POR_RESETビットは、LTC4100の電源投入時のデフォルト 状態を設定します。 RESET_TO_ZEROビ ッ ト は、ChargingCurrent() と ChargingVoltage()の値を0(ゼロ)に設定します。この機能 はINHIBIT_CHARGEビットが セットされていても、常 に ChargingCurrent() とChargingVoltage() の値をゼロにクリアし ます。 ChargerStatus() ( h13) ChargerSpecInfo() ( h11) 説明:SMBusホストはこのコマンドを使ってLTC4100の状態 ビットを読み出します。 説明:SMBusホストはこのコマンドを使ってLTC4100の拡張 状態ビットを読み出します。 用途:SMBusホストが LTC4100の状態とレベルを判別できる ようにします。 用途:チャージャがサポートする仕様のリビジョンおよびその他 の拡張状態情報をシステム・ホストが判別できるようにします。 • SMBusプロトコル:読み出しワード 出力:CHARGER_SPECはLTC4100 がサポートするSmart Battery Charger Specification Version 1.1を 示 し ま す。 SELECTOR_SUPPORTはLTC4100 がオプションのスマー ト・バッテリ・セレクタ・コマンドをサポートしていないことを示 します。 ChargerMode() ( h12) 説明:SMBusホストはこのコマンドを使って様々な充電モード を設定します。デフォルト値はスマート・バッテリとLTC4100 が SMBusホスト無しで連係動作できるよう設定されています。 用途:SMBusホストがチャージャの構成とデフォルト・モード を変更できるようにします。これは書き込みのみの機能です が、mode ビット、INHIBIT_CHANGEの値はChargeStatus() 機能を使って決定される場合があります。 • SMBusプロトコル:書き込みワード 入力:INHIBIT_CHARGEビットによりChargingCurrent() と ChargingVoltage() の値の変更なしに充電を停止できます。こ のビットをクリアすることで充電を再開することが可能です。こ のビットは電源が再投入された場合、もしくはバッテリが再装 着された場合は自動的にクリアされます。 • SMBusプロトコル:読み出しワード 出力:CHARGE_INHIBITEDビットは、ChargerMode()機能 のINHIBIT_CHARGEビットで設定されたLTC4100の状態 を反映します。 POLLING_ENABLED、VOLTAGE_NOTREGおよび CURRENT_NOTREGは、LTC4100ではサポートされません。 LTC4100は、常にレベル2のスマート・バッテリ・チャージャと してレポートします。 CURRENT_ORビ ッ ト は、ChargingCurrent()の 設 定 が LTC4100の 電 流 調 整 範 囲 外 の 値 に 設 定 さ れ た 場 合 の み セットされ ます。このビットはChargerMode()の INHIBIT_CHARGEビ ッ ト お よ び ChargingCurrent()と 連 係して、LTC4100の電 流 能力を割り出すのに利 用でき ま す。ChargingCurrent()が ILIM +1に 設 定 さ れ た 場 合、 CURRENT_ORビットがセットされます。 VOLTAGE_ORビ ッ ト は、ChargingVoltage()の 設 定 が LTC4100の電 圧 調 整 範 囲 外の値に設 定された場 合のみ セットされます。このビットはChargerMode()のINHIBIT_ CHARGEビ ット お よ び ChargingVoltage()と 連 係 して、 LTC4100の 電 圧 能 力 を 割 り 出 す の に 利 用 で きま す。 ChargingVoltage()が VLIM に設定された場合、VOLTAGE_ ORビットがセットされます。 RES_ORビットは、SafetySignalの抵抗値が 95kΩを上回る場 合のみセットされます。これはSafetySignal が開放と見なされ ることを示しています。 4100fc 12 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 動作 表 1. サポートされるチャージャ機能の要約 8'h16 8'h3C ENABLE_POLLING Ign 1/0 0 Read 7'b0001_100 (0x18) N/A LEVEL:3/LEVEL:2 VOLTAGE_OR RES_OR RES_COLD RES_UR ALARM_INHIBITED CURRENT_OR 0 1 Value CHARGING_VOLTAGE[15:0] Permitted Values Unsigned integer representing voltage in mV Control Reserved Ignored 1/0 Register Permitted Values Return Values Write Read Byte 1/0 1/0 Unsigned integer representing current in mA NO_LOWI 7'b0001_001 Alert Response Address Ignored Permitted Values 1/0 1/0 1/0 1/0 Write LTCO() Reserved 0 0 0 1/0 FULLY_CHARGED 7'b0001_001 0 CHARGING_CURRENT[15:0] OVER_CHARGED_ALARM AlarmWarning() 0 DISCHARGING Write 0 INITIALIZED 8'h15 1 REMAINING_TIME_ALARM 7'b0001_001 0 REMAINING_CAPACITY_ALARM ChargingVoltage() 0 Value TERMINATE_DISCHARGE_ALARM Write 0 Permitted Values OVER_TEMP_ALARM 8'h14 0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 TERMINATE_CHARGE_ALARM 7'b0001_001 0 POR_RESET Return Values Read POWER_FAIL Status BATTERY_PRESENT 8'h13 0 Control AC_PRESENT 7'b0001_001 ChargingCurrent() 0 Permitted Values Write ChargerStatus() 0 RES_HOT 8'h12 0 Reserved 7'b0001_001 0 RESERVED_ALARM ChargerMode() 0 CURRENT_NOTREG Return Values Read CHARGER_SPEC RESET_TO_ZERO Reserved 0 INHIBIT_CHARGE Info D1 DO CHARGE_INHIBITED 8'h11 D5 D4 D3 D2 0 0 1/0 1 0 Ignored LTC4100's Version Identification Ignored 0 0 1 0 0 0 Status 0 0 0 0 Undefined 7'b0001_001 (0x12) D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 POLLING_ENABLED Data Type VOLTAGE_NOTREG Command Code ERROR ChargerSpecInfo() SMBus Address SELECTOR_SUPPORT Access FULLY DISCHARGED Function LTC4100's Address Not Supported Return Values 0 0 0 1 0 0 1 X 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 13 LTC4100 動作 RES_COLDビットは、SafetySignalの抵抗値が 28.5kΩを上 回る場合のみセットされます。SafetySignalはコールド・バッテ リを示します。RES_COLDビットはRES_ORビットがセットさ れている場合はいつもセットされます。 RES_HOTビットはSafetySignalの抵抗値が 3150Ωを下回る 場合のみセットされ、ホット・バッテリを示します。RES_HOT ビットはRES_URビットがセットされている場合は、いつでも セットされます。 RES_URビットはSafetySignalの抵抗値が 575Ωを下回る場 合のみセットされます。 ALARM_INHIBITEDビ ット は、有 効 なAlarmWarning() メッセージを受け取り、その結果充電が停止されるとセッ トされます。このビットはLTC4100のChargingVoltage()と ChargingCurrent() の両方を再度書き込むか、電源を取り外 すか (DCDIV < VACP)、またはバッテリを取り外すとクリア されます。ALARM_INHIBITEDをセットするとLTC4100の SMBALERT がプルダウンされます。 POWER_FAILビットはバッテリ充電のためのDCIN 電圧が 十分でない場合、または外部のデバイスが CHGEN 入力信号 を L に引き下げるとセットされます。このビットがセットされ た場合、いつでも充電はディスエーブルされます。このビットを セットしてもChargingVolutage()機能とChargingCurrent()機 能の値をクリアすることはなく、必ずしもLTC4100の充電モー ドに影響を与えるものではありません。 BATTERY_PRESENTはバッテリが装着された場合にセッ トされ、それ以外はクリアされます。LTC4100はバッテリの 有無を判別するためにSafetySignalを使用します。LTC4100 が RES_OR 状 態 を 検 出した 場 合、速 や か にBATTERY_ PRESENTビットはクリアされます。LTC4100はSafetySignal を2 度サンプルし、どちらのサンプルでもRES_OR 状態を検 出しなくなるまでBATTERY_PRESENTビットをセットしませ ん。ACアダプタが無い場合(例、DCDIV < VACP)、このビット はバッテリが SafetySignalに接続されて1.5 秒経過するまでは セットされません。ChargingCurrent()機能とChargingVoltage ()機能の値は、このビットがクリアされた場合はいつも速や かにクリアされます。このビットがクリアされると、充電は許可 されません。BATTERY_PRESENT が変化するとLTC4100の SMBALERT がプルダウンします。 AC_PRESENTはDCDIV 電圧が VACP を上回るとセットされ ます。これは必ずしもDCINの電圧がバッテリを充電するため に十分であることを示すものでは有りません。AC_PRESENT が変化するとLTC4100のSMBALERT がプルダウンします。 ChargingCurrent() ( h14) 説明:バッテリ、システム・ホスト、その他のマスタ・デバイスは、 要求する充電電流値(mA) をLTC4100に送信します。 用途:LTC4100はバッテリに供給する充電電流を、RILIM、 IDAC の粒度および ChargingCurrent()機能の値を使用して決 定します。充電電流はRILIM で許可される最大電流を超える ことはありません。ChargingCurrent() の値はIDAC の粒度に切 り捨てられます。バッテリ電圧がプログラムされた充電電圧を 超える場合も充電電流は減少します。 • SMBusプロトコル:書き込みワード 入力:CHARGING_CURRENTは符号なしの16ビットの整数 で、要求する充電電流をmAで指定します。下表は、設定され たRILIM 値に対してChargerStatus()機能のCURRENT_OR がセットされないCHARGING_CURENTの最大許容値を示 します。 RILIM ChargingCurrent() Current Short to GND 0x0000 through 0x03FF 0mA through 1023mA 10kΩ ±1% 0x0000 through 0x07FF 0mA through 2047mA 33kΩ ±1% 0x0000 through 0x0BFF 0mA through 3071mA Open (or Short to VDD) 0x0000 through 0x0FFF 0mA through 4095mA ChargingCurrent() ( h15) 説明:バッテリ、SMBusホスト、その他のマスタ・デバイスは、 要求する充電電圧値(mV) をLTC4100に送信します。 用途:LTC4100はバッテリに供給する充電電圧を、RVLIM、 VDAC の粒度および ChargingVoltage()機能の値を使用して 決定します。充電電圧はRVLIM で許可された最大電圧を超 えて印加されることはありません。ChargingVoltage()の値は VDAC の粒度で切り捨てられます。バッテリ電流がプログラム された充電電流を超える場合も充電電圧は減少します。 • SMBusプロトコル:書き込みワード 入力:CHARGING_VOLTAGEは符 号なしの16ビットの整 数で、要求する充電電圧をmVで指定します。LTC4100は、 0x0001 から0x049Fまでの全ての値を0x0000 が書き込まれ たのと同じであるとみなします。下表は、設定されたRVLIM 値 に対してChargerStatus()機能のVOLTAGE_OR がセットされ ないCHARGING_VOLTAGEの最大許容値を示します。 4100fc 14 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 動作 RVLIM Maximum ChargingVoltage() Short to GND 0x225F (8796mV) 10kΩ ±1% 0x332F (13100mV) 33kΩ ±1% 0x43FF (17404mV) 100kΩ ±1% 0x54CF (21708mV) Open (or Short to VDD) 0x6D5F (27996mV) AlarmWarning() ( h16) 説明:スマート・バッテリはバス・マスタ・デバイスとして動作 し、1つ以上のアラーム状態が存在することを通知するため AlarmWarning() メッセージをLTC4100に送ります。アラーム 表示はバッテリ状態レジスタ内のビット領域にエンコードさ れ、この機能によりLTC4100に送られます。 用途:LTC4100はこの機能で送られた情報を、適切にバッテ リを充電するために利用します。LTC4100は定められた警告 ビットのみに応答します。この機能への書き込みは、必ずしも バッテリの充電を禁止する警告状態を生じさせるわけではあ りません。 • SMBusプロトコル:書き込みワード 入 力:OVER_CHARGED_ALARM、TERMINATE_ CHARGE_ALARM、 予 備 の (0x2000)、 お よ び OVER_ TEMP_ALARMのビットのみが LTC4100によってサポート されます。これらのビットのいずれかのビットに1を書き込む とLTC4100により充電が停止され、ChargerStatus()機能の ALARM_INHIBITEDビットをセットします。TERMINATE_ DISCHARGE_ALARM、REMAINING_CAPACITY_ ALARM、REMAINING_TIME_ALARMお よ び ERRORの ビットはLTC4100によって無視されます。 LTCO () ( h3C) 説明:SMBusホストはこのコマンドをLTC4100のバージョン 番号を判別するために使用し、スマート・バッテリ・チャージャ の仕様で定義されていない拡張動作モードを設定します。 用途:この機能はSMBusホストにバッテリ・チャージャが LTC4100であることを判別できるようにします。スマート・バッ テリ・チャージャの製造元とバージョンを識別することにより、 与えられたチャージャの特有のタスクをソフトウェアが実行可 能になります。LTC4100はIDAC のLOWI 電流モードをディス エーブルする手段を与えます。 • SMBusプロトコル:書き込みワード 入力:NO_LOWIビットのみがこの機能で認識されます。NO_ LOWIのデフォルト値は0です。LTC4100のLOWI 電流モード は、充電電流が IDAC のフルスケールの1/16を下回る場合に、 より高い精度で平均充電電流を与えます。NO_LOWI がセッ トされた時は、精度の低いIDAC アルゴリズムによって充電電 流が生成されますが、チャージャがパルスでオン・オフされな いので選択される場合があります。 • SMBusプロトコル:読み出しワード。 出力:NO_LOWIはIDAC 動作モードを示します。クリアされて いると、充電電流が IDAC フルスケールの1/16を下回る時に LOWI 電流モードが使用されます。 LTC4100のLTCのバージョン識別は常に0x202です。 アラート・レスポンス・アドレス(ARA) 説明:SMBusシステム・ホストはアラート・レスポンス・アドレス を利用して、SMBALERT#イベント発生を迅速に識別します。 用途:SMBALERT 信号によりSMBALERT#バスがアクティブ にプルダウンされていると、LTC4100はARAアドレス0x18に 応 答します。LTC4100はSBS Implementers ForumのSystem Management Bus Specification、Version 1.1で定められた優 先レポートに従います。 • SMBusプロトコル:7ビットでアドレス指定可能な デバイスはARAに応答する。 出力:デバイス・アドレスが SMBus システム・ホストに送られま す。LTC4100のデバイス・アドレスは0x12です。 以下のイベントにより、LTC4100はSMBALERTピンを介して SMBALERT# バスをプルダウンします。 • ChargerStatus()機能のAC_PRESENTの変化。 • ChargerStatus()機能のBATTERY_PRESENTの変化。 • ChargerStatus()機能のALARM_INHIBITEDのセット。 • 内部パワー・オン・リセット状態。 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 15 LTC4100 動作 SMBusアクセラレータ・プルアップ ウェイクアップ充電モード SCLとSDAは両方ともSMBusアクセラレータ回路を備えてお り、この2つのSMBus 信号ラインの容量が大きなシステムの 立ち上がり時間を短縮します。ダイナミック・プルアップ回路は SDAまたはSCLの立ち上がりエッジを検出して、 VINが0.8V∼ (VDD − 0.8V)の間 VDD に1mA ∼ 10mAのプルアップ電 流 を流します (DC 電流を供給するために外部プルアップ抵抗が 必要です)。この動作によって、各 SMBus 信号ラインの容量 が 250pFあるバスが SMBusの立ち上がり時間の要件を満た すことができます。立ち上がり時間の改善はSMBusを利用す る全てのデバイス、特にI2Cロジック・レベルを使用するデバイ スにとって有益です。ダイナミック・プルアップ回路はVDD まで しかプルアップしないので、SMBus 仕様に準拠しないSMBus デバイスでSMBusプルアップ抵抗が VDDより高い電圧に終 端されていると、立ち上がり時間に関する準拠の問題が依然 としてあることに注意してください。 制御ブロック LTC4100のチャージャ動作は制御ブロックにより制御され ます。このブロックは自立して、またはホストの制御下で、選 択されたバッテリを充電することができます。制御ブロックは SMBALERT = 0を行使して、 システム管理ホスト (SMBusホス ト) との通信を要求することができます。これによりSMBusホ ストが存在する場合は、LTC4100をポーリングします。 制御ブロックはSMBusインタフェース・ブロックから、SMBus スレーブ・コマンドを受け取ります。 制御ブロックによって、LTC4100は以下のスマート・バッテリ 制御(レベル2) チャージャの要件を満たすことができます。 1. スマート・バッテリの重大な警告メッセージをSMBus 経由 で発信する。 2. ChargingVoltage() とChargingCurrent()のコマンドに応じ てチャージャの出力パラメータを調整するSMBusスレー ブ・デバイスとして動作する。 3. ホストは、ChargingCurrent() とChargingVoltage() のリクエ ストを送信するスマート・バッテリの能力をディスエーブル し、そしてSMBusを介して充電コマンドをLTC4100 へ同時 通報することにより充電を制御することができる。 バッテリのウェイクアップ充電を可能にするには、以下の条件 を満たす必要があります。 1. SafetySignalはRES_COLD、RES_IDEAL、RES_URの い ずれかでなければならない。 2. ACアダプタが接続されていなければならない。これは、 DCDIV > VACP で確認できます。 新 し く 装 着 さ れ た バ ッ テ リ が ChargingCurrent()と ChargingVoltage()のリクエストをLTC4100に送信しない場 合、ウェイクアップ充電が開始されます。 以下の条件によってウェイクアップ充電モードは終了します。 1. SafetySignal が RES_COLDまたはRES_URのとき、 TTIMEOUT 時間に達する。 2. SafetySignal が RES_ORである。 3. ChargingCurrent() とChargingVoltage() の機能の書き込み が成功する。この2つの機能が書き込まれると、LTC4100 は調整充電モードになります。 4. SafetySignal が RES_HOTである。 5. ACアダプタ電源が接続されていない (DCDIV < VACP)。 6. ChargerStatus()機 能のALERM_INHIBITED がセットさ れる。 7. ChargerMode()機能のINHIBIT_CHARGEがセットされる。 8. 外 部デバイスによってCHGENピンが L に引き下げら れる。外 部 デバイスが CHGENピンをリリースすると、 LTC4100はウェイクアップ充電を再開します。CHGENピン をトグルしてもTTIMEOUT タイマをリセットしません。 9. DCIN 電圧がバッテリを充電するのに不十分な値である。 LTC4100はDCIN 電圧がバッテリを充電するのに十分な 値になると、ウェイクアップ充電を再開します。この状態は TTIMEOUT タイマをリセットしません。 4. LTC4100は、ホストの干渉なしにスマート・バッテリの重大 な警告メッセージに応答する。 4100fc 16 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 動作 調整充電アルゴリズム概要 のChargingCurrent() とChargingVolutage()機 能の値で 充電を再開します。 LTC4100の調整充電の開始許可には以下の条件を満たす 必要があります。 7. ChargerMode()機能のRESET_TO_ZERO がセットされ る。 1. ChargingVoltage() とChargingCurrent()機能に、ゼロ以外 の値が書き込まれていなければならない。 8. 外部デバイスによってCHGENピンが L になった場合。 外部デバイスが CHGENピンをリリースすると、LTC4100 は以 前のChargingCurrent() とChargingVolutage()機 能 の値で充電を再開します。 2. SafetySignalはRES_COLD、RES_IDEAL、ま た はRES_ URのいずれかでなければならない。 3. ACアダプタが接続されている。これはDCDIV > VACP で確 認できます。 以下の条件によって制御充電アルゴリズムは停止し、 バッテリ・ チャージャ・コントローラは充電を停止します。 1. TTIMEOUT の 間にChargingCurrent()とChargingVolutage ()機能に書き込みがない。 9. DCINの電圧がバッテリを充電するのに不十分である。 LTC4100はDCIN 電圧がバッテリを充電するのに十分 な値になると、LTC4100は以 前のChargingCurrent()と ChargingVolutage()機能の値で充電を再開します。 10. ChargingVoltage()機能へのゼロ値の書き込み。 11. ChargingCurrent()機能へのゼロ値の書き込み。 2. SafetySignal が RES_ORである。 SafetySignalデコーダ・ブロック 3. SafetySignal が RES_HOTである。 このブロックはSafetySignalの抵抗値を測定するもので、臨界 トリップ・ポイントでのノイズ耐性が大きいのが特徴です。低 電力スタンバイ・モードは、ACアダプタ電源が与えられていな い時、バッテリ接続の有無のSMBチャージャ・レポート要求 のみをサポートします。SafetySignalデコーダを図 4に示しま す。RTHA の値は1.13k、RTHB の値は54.9kです。 4. ACアダプタ電源が接続されていない (DCDIV < VACP)。 5. ChargerStatus()機能のALERM_INHIBITED がセットさ れる。 6. ChargerMode()機能のINHIBIT_CHARGE がセットされ る。INHIBIT_CHARGEのクリアにより、LTC4100は以前 VDD RTHA 1.13k VDD THA_SELB 16 + MUX THA – HI_REF REF LO_REF VDD RTHB 54.9k CSS THB_SELB + AC_PRESENT TH_HI 33k VLIM RES_OR THB RSafetySignal 14 RVLIM RES_COLD LATCH + – SafetySignal CONTROL 15 12.5k TH_LO 25k – + – 25k + 25k 4 ENCODER VLIM [3:0] – + RES_H0T 12.5k – RES_UR 4100 F04 図 4. SafetySignal デコーダ・ブロック 4100 F05 図 5. 簡略化したVLIM 回路のコンセプト (ILIM も同様) 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 17 LTC4100 動作 SafetySignalの検出は、THA_SELBおよび THB_SELB、選択 可能なリファレンス発生器、2つのコンパレータを使用して、 図 4のスイッチを再構成するステート・マシンによって行われ ます。この回路にはACアダプタ電源の有無により2つの動作 モードがあります。 ACアダプタ電源がある場合、LTC4100はSafetySignal 値を サンプリングしChargerStatusレジスタをおおよそ32ms 毎に 更新します。ステート・マシンはSafetySignal 値をRES_OR ≥ RES_COLDスレッショルドから開始し、その後 RES_COLD ≥ RES_IDEALスレッショルド、RES_IDEAL ≥ RES_HOTス レッショルド、そして最後にRES_HOT ≥ RES_URスレッショ ルドの順にサンプリングします。一旦 SafetySignalの範囲が 決定されると、低い値のスレッショルドはサンプリングされま せん。SafetySignalデコーダ・ブロックは、あらかじめ決められ たSafetySignal 値を使用し、スレッショルドの適正な調整を 行ってヒステリシスを追加します。THBピンをVDD に接続し てTHAピンに出力される電圧を測定することでRES_OR ≥ RES_COLDとRES_COLD ≥ RES_IDEALのスレッショルド を測定するために、RTHB の抵抗値が利用されます。THAピン をVDD に接続してTHBピンに出力される電圧を測定すること でRES_IDEAL ≥ RES_HOTとRES_HOT ≥ RES_URスレッ ショルドを測定するために、RTHA の抵抗値が利用されます。 SafetySiganlデコーダ・ブロックは、VDDとGND 間の分圧回路 を利用してSafetySignalのスレッショルド範囲を判別します。 THAとTHB 入力は順次 VDD に接続されるので、SafetySignal 測定時にVDD ノイズに対する耐性が与えられます。 ACアダプタ電源が利用できないとき、SafetySignalブロックは 以下の低消費電力の動作をサポートします。 SafetySignalのインピーダンスは、表 4に従って解釈されます。 表 4. SafetySignal 状態の範囲 SafetySignal RESISTANCE CHARGE STATUS BITS DESCRIPTION 0Ω to 500Ω RES_UR RES_HOT BATTERY_PRESENT Underrange 500Ω to 3kΩ RES_HOT BATTERY_PRESENT Hot 3kΩ to 30kΩ BATTERY_PRESENT Ideal 30kΩ to 100kΩ RES_COLD BATTERY_PRESENT Cold Above 100kΩ RES_OR RES_COLD Overrange 注:アンダーレンジ検出方式はLTC4100の非常に重要な機能です。RTHA/RSafetySignal の分割器 (1V) は、10kのプルアップを使用するシステムのスレッショルド のトリップ・ポイント0.333 • VDD (140mV) を十分に上回っています。10kのプルアップを使用するシステムでは、バッ 0.047 • VDD テリとSafetySignal 検出回路の間の100mVの小幅なグランド・オフセットでは、アンダーレンジ からホットへの遷移ポイントを判別することはできません。この程度のオフセットは、通常電 流レベルの充電時に予想されます。 RTHAとRTHB に必要な値を表 5に示します。 表 5. SafetySignal の外部抵抗値 EXTERNAL RESISTOR VALUE (Ω) RTHA 1130 ±1% RTHB 54.9k ±1% CSS はSafetySignalとGND 間の容量を示します。CSS はアプリ ケーションの過渡電流ノイズ耐性を向上させる可能性があり ます。CSS はLTC4100 が正しくRSafetySignal 値を検出するため には、1nFを上回ることはできません。 1. SafetySignalのサンプリングは、32msに代わり250ms 毎もし くはそれ以下で実施されます。 2. 完全なSafetySignal 状態のサンプリングは、32msに代わり 30s 毎もしくはそれ以下で実施されます。 4100fc 18 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 動作 ILIM デコーダ・ブロック 電圧 DACブロック このピンとGNDの間に接続される外部抵抗の値によって、最 大充電電流値を制限するのに使用される4つの電流制限の うちの1つを決定します。これらの電流制限は、ソフトウェアで は無効にできない、ハードウェアによる充電電流制限の安全 措置です。 充電出力電圧が VREF 分オフセットされることに注意してくだ さい。したがって、出力電圧が正しく (オフセットなしで) プログ ラムされるように、SMBus ChargingVoltage()の値からVREF の値を減算します。ChargingVoltage()の値がチャージャの 公称基準電圧(公称 1.184V) より低い場合、チャージャ出力 電圧はゼロにプログラムされます。さらに、ChargingVoltage() の値が VLIM ピンによってセットされる制限値より高い場合、 チャージャ出力電圧はVLIM 抵抗によって決定される値に設 定され、VOLTAGE_ORビットがセットされます。これらの制 限値を図 6に示します。 EXTERNAL RESISTOR (RILIM) ILIM VOLTAGE CONTROLLED CHARGING CURRENT RANGE GRANULARITY Short to GND VILIM < 0.09VDD 0 < I < 1023mA 1mA 10k ±1% 0.17VVDD < VILIM < 0.34VVDD 0 < I < 2046mA 2mA 33k ±1% 0.42VVDD < VILIM < 0.59V 0 < I < 3068mA 4mA 0.66VVDD < VILIM 0 < I < 4092mA 4mA Open (>250k, or Short to VDD) VLIM デコーダ・ブロック このピンとGNDの間に接続される外部抵抗の値によって、 チャージャの出力値に適用される5つの電圧制限のうちの1つ を決定します。これらの電圧制限は、ソフトウェアでは無効にで きない、ハードウェアによる充電電圧制限の安全措置です。 25 15 10 5 0 表 7. VLIMトリップ・ポイントと範囲(図 5を参照) EXTERNAL RESISTOR (RVLIM) VLIM VOLTAGE RVLIM = 33k 20 CHARGER VOUT (V) 表 6. ILIMトリップ・ポイントと範囲 0 5 20 10 25 15 30 PROGRAMMED VALUE (V) 35 4100 F06 CONTROLLED CHARGING VOLTAGE (VOUT) RANGE GRANULARITY Short to GND VVLIM < 0.09VVCCP 2900mV < VOUT < 8800mV 16mV 10k ±1% 0.17VVDD < VVLIM < 0.34VVDD 2900mV < VOUT < 13104mV 16mV 33k ±1% 0.42VVCCP < VVLIM < 0.59VVDD 2900mV < VOUT < 17408mV 16mV 100k ±1% 0.66VVDD < VVLIM < 0.84VVDD 2900mV < VOUT < 21712mV 16mV Open or Tied to VDD 0.91VVDD < VVLIM 2900mV < VOUT < 28000mV 16mV 注:LTC4100ではChargingVoltage() 機能の値を1.184Vから2.9Vの範囲内でプログラムする ことができますが、2.9Vを下回った場合バッテリ・チャージャ・コントローラの出力電圧はゼ ロになります。 図 6. チャージャの伝達関数 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 19 LTC4100 動作 電流 DACブロック 電流 DACはデルタシグマ変調器であり、チャージャの電 流制限を設定するのに使用される外部抵抗(RSET)の実効 値を制御します。図 7はDAC 動作の簡略図です。デルタ− シグマ変調器とスイッチは、SMBusを通して受け取られた ChargingCurrent() の値を次式で表される可変抵抗値に変換 します。 1.25RSET/[ChargingCurrent ()/ILIM[x]] = RIDC したがって、プログラムされた電流は次式のようになります。 ChargingCurrent()< ILIM[x] の場合、 ICHARGE =(102.3mV/RSENSE) (ChargingCurrent ()/ILIM[x]) ILIM が定める許容最大電流の1/16より小さい値が電流 DAC の入力に印加されると、電流 DACはLOWIという異なるモー ドに入ります。電流 DACの出力は、デューティ・サイクルが 1/8の高周波クロックでパルス幅変調されています。したがっ て、チャージャが供給する最大出力電流はIMAX/8になりま す。デルタ−シグマ出力は、この低いデューティ・サイクル信号 をオン・オフします。次にデルタ−シグマ・シフト・レジスタは、 チャージャが IMAX/8の値に落ち着くまでの時間を与えるた めに、低速(およそ45ms/ビット)のクロックで動作します。そ の結果得られる平均充電電流は、ChargingCurrent() の値に よって要求される電流と等しくなります。 ITH – 20 RSET VREF 19 + ∆-∑ MODULATOR 電流 DACブロックへのウェイクアップが行使されると、デルタ −シグマはILIM の設定に無関係に80mAに固定されます。 入力 FET 入力FET 回路は2つの機能を実行します。入力電圧が CLP ピンを上回る場合はチャージャをイネーブルして、この状態を CHGENピンとChargerStatus() レジスタのPWR_FAILビット の両方で表示します。また入力FETのゲートを制御して、充 電時には順方向の電圧降下を低く維持し、入力FET への逆 電流を防ぎます。 入力電圧が VCLP を下回る場合、チャージャを起動するには 最低 130mVほどVCLP を上回る必要があります。CHGENピ ンはこの条件が満たされなければ L に強制されます。入力 FETのゲートは、ドレイン−ソース間の順方向電圧降下を低 く抑えるのに十分な電圧でドライブされます。DCINとCLP 間 の電位差が25mVを下回ると、入力FETはゆっくりオフします。 もしDCINとCLP 間の電位差が− 25mVを下回った場合、入 力FETは入力FETに流れ込む大きな逆電流を防ぐため速や かにオフします。この条件下では、CHGENピンは L にドライ ブされチャージャはディスエーブルされます。 ACアダプタ電源検出ブロック (AC_PRESENT) DCDIVピンはACアダプタの有無を判別するために使用さ れます。DCDIV 電圧が DCDIVコンパレータ (VACP)のスレッ ショルドを上回る場合、ACP出力ピンはVDD へスイッチされ、 ChargerStatus()機能のAC_PRESENTビットがセットされま す。DCDIV 電圧が DCDIVコンパレータ (VACP)のスレッショ ルドを下回る場合、ACP出力ピンはGND へスイッチされ、 ChargerStatus()機能のAC_PRESENTビットがクリアされま す。ACP出力ピンは2mAの連続電流をドライブするように設 計されています。 IPROG (FROM CA1 AMP) IDC 注:LOWIモードは、LTC0()機能のNO_LOWIビットをセット することによりディスエーブルすることができます。 CHARGING_CURRENT VALUE 4100 F07 図 7. 電流 DAC 動作 AVERAGE CHARGER CURRENT ILIMIT/8 0 ~40ms 4100 F08 図 8. 低電流モードでの充電電流波形 4100fc 20 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 アプリケーション情報 ACアダプタ制限 LTC4100 – 24 + 23 CL1 + LTC4100の重要な特長の1つは、ACアダプタの過負荷を防 ぐレベルに充電電流を自動的に調整できることです。この機 能により、製品は複雑な負荷管理アルゴリズムを使用すること なくバッテリを充電しながら同時に動作することが可能です。 さらに、バッテリはACアダプタの能力で可能な最大速度で自 動的に充電されます。 100mV 4 CLP CLN C9 0.1µF VIN RCL* R1 4.99k INFET TO LOAD 100mV *RCL = この機能はACアダプタの全出力電流を検出して、予め設定 ADAPTER CURRENT LIMIT されたACアダプタ電流制限を超えると充電電流を下方修 図 9. アダプタ電流制限 正して実現されます。真のアナログ制御が、閉ループ・フィー ドバックとともに使用されており、アダプタの負荷電流が制限 内に確実に維持されます。図 9のアンプ CL1は、CLPピンと よくあることですが、ACアダプタには少なくとも+10%の電流 CLNピンの間に接続されたRCL の両端の電圧を検出します。 制限マージンがあり、多くの場合、単にACアダプタの電流 この電圧が 100mVを超えるとアンプはプログラムされた充電 制限値を実際のACアダプタの定格に設定することができます 電流を無視して、ACアダプタ電流を100mV/RCL に制限しま (表 9を参照)。 す。スイッチング・ノイズを除去するために、4.99kと0.1μF から 充電終了に関する問題 なるローパス・フィルタが必要です。電流制限を使用しない場 定電流充電で電圧に基づいてチャージャが終了するような 合は、CLNピンは、CLPピンに接続する必要があります。 バッテリには、ACアダプタの制限によるチャージャ電流の減 入力電流制限の設定 少の問題が起こる可能性があります。このような場合、入力制 入力電流制限を設定するには、最小 ACアダプタ電流定格を 限の機能を無効にすることを推奨します。バッテリが充電を終 知っている必要があります。入力電流の制限に許容差がある 了させる方法については、バッテリの製造メーカーにお問い ため7%ほど少なくし、その電流を使って抵抗値を決めてくだ 合わせください。 さい。 4100 F09 出力電流制限の設定(図1参照) RCL = 100mV/ILIM ILIM = アダプタの最小電流 - (アダプタの最小電流 • 7%) LTC4100の電流 DACとPWMアナログ回路は、チャージャ電 流の設定を調整する必要があります。調整が悪いと、その結 果、不適切な充電電流を発生することになります。 表 8. 推奨抵抗値 ADAPTER RATING (A) –7% ADAPTER RATING (A) RCL VALUE* (Ω) 1% RCL LIMIT (A) RCL POWER DISSIPATION (W) RCL POWER RATING (W) 1.5 1.40 0.068 1.47 0.15 0.25 1.8 1.67 0.062 1.61 0.16 0.25 2.0 1.86 0.051 1.96 0.20 0.25 2.3 2.14 0.047 2.13 0.21 0.25 2.5 2.33 0.043 2.33 0.23 0.50 2.7 2.51 0.039 2.56 0.26 0.50 3.0 2.79 0.036 2.79 0.28 0.50 3.3 3.07 0.033 3.07 0.31 0.50 3.6 3.35 0.030 3.35 0.33 0.50 4.0 3.72 0.027 3.72 0.37 0.50 * 最も近い5% 標準抵抗値に合わせてあります。他にも多くの非標準抵抗値があります。 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 21 LTC4100 アプリケーション情報 IMAX はフルスケールの充電電流です。SMBusで要求される 所望のバッテリ充電電流より大きい、最小のIMAX 値を選択 してください。表 9に示された抵抗値から外れる場合は、充電 電流利得誤差を生じる可能性があります。要求される電流と バッテリに与えられる実際の充電電流は、同じではない可能 性があります。 表 9. 推奨抵抗値 ゼロになると、低電流動作への移行が開始されます。インダク と、高い負荷電流でこれが発 タ値を低くする (∆IL が高くなる) 生し、低電流動作範囲の上の部分で効率が低下する可能性 があります。実際に使用できる推奨の最小値は10μHです。 表 10. 推奨インダクタ値 Maximum Average Current (A) Input Voltage (V) Minimum Inductor Value (µH) IMAX (A) RSENSE (Ω) 1% RSENSE (W) RILIM (Ω) 1% 1 ≤20 40 ± 20% 1.023 0.100 0.25 0 1 >20 56 ± 20% 2.046 0.05 0.25 10k 2 ≤20 20 ± 20% 3.068 0.025 0.5 33k 2 >20 30 ± 20% 4.092 0.025 0.5 Open 3 ≤20 15 ± 20% 3 >20 20 ± 20% 4 ≤20 10 ± 20% 4 >20 15 ± 20% 警告 動作中はRILIM の値を変えないでください。この値は固定して おき、常にRSENSE の値に追従しなければなりません。入力電 流制限がない場合、電流設定を変えると要求される値をはる かに上回る電流が流れる恐れがあり、バッテリの損傷あるい はACアダプタの過負荷につながる可能性があります。 インダクタの選択 高い動作周波数では、より小さな値のインダクタとコンデンサ を使用できます。周波数が高いほどMOSFETゲート電荷の 損失のために、一般に効率が低下します。さらに、リップル電 流と低電流動作に対するインダクタ値の影響も考慮しなけれ ばなりません。インダクタ・リップル電流 ∆IL は、周波数が高い ほど減少し、VIN が高いほど増加します。 ∆IL = 1 ⎛ V ⎞ VOUT ⎜ 1 − OUT ⎟ VIN ⎠ f L ⎝ ( )( ) 大きな∆IL の値を許容すれば、低いインダクタンスを使用でき ますが、出力電圧リップルが高くなりコア損失も大きくなりま す。リップル電流を設定するための妥当な出発点は、∆IL = 0.4 (IMAX)です。入力電圧が最大のときに∆IL が最大になること を忘れないでください。インダクタ値も低電流動作に影響を与 えます。ボトムMOSFET が導通している間にインダクタ電流が チャージャのスイッチング・パワー MOSFETと ダイオードの選択 チャージャに使用するため、2 個の外付けパワー MOSFETを 選択する必要があります:トップ (メイン) スイッチ用にPチャネ ルMOSFETとボトム (同期) スイッチ用にNチャネルMOSFET を選択します。 ゲート・ドライブのピーク・トゥ・ピークのレベルは内部設定さ れます。この電圧は通常 6Vです。したがって、ロジックレベ ル・スレッショルドのMOSFETを使用する必要があります。 MOSFETのBVDSS仕様にも十分注意を払ってください。 ロジッ ク・レベルMOSFETの多くは30V 以下に制限されています。 パワー MOSFETの選択基準には、オン抵抗 RDS(ON)、総ゲー ト容量 QG、帰還容量 CRSS、入力電圧、最大出力電流などが あります。チャージャは常に連続モードで動作するので、トッ プ MOSFETとボトムMOSFETのデューティ・サイクルは次式 で求められます。 メイン・スイッチのデューティ・サイクル = VOUT/VIN 同期スイッチのデューティ・サイクル =(VIN -VOUT)/VIN 4100fc 22 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 アプリケーション情報 最大出力電流でのMOSFETの消費電力は以下のように求め られます。 PMAIN = VOUT/VIN (IMAX) (1+δ ∆ T)RDS(ON)+ 2 ( k VIN) (I ( ) (fOSC) MAX CRSS) 2 2 PSYNC =(VIN - VOUT)/VIN (IMAX) (1+δ ∆ T)RDS(ON) ここで、δ∆TはRDS(ON)の温度依存度、kはゲート・ドライブ電 流に反比例する定数です。どちらのMOSFETにもI2R 損失の 項があり、PMAINの式には入力電圧が高いとき最大になる 遷移損失の項が追加されています。VIN<20Vでは、高電流で の効率は一般に大型のMOSFETを使用すると向上しますが、 VIN>20Vでは、CRSS が小さくRDS(ON)が大きいデバイスを使 用する方が実際には効率が高くなるポイントまで遷移損失が 急激に上昇します。同期 MOSFETの損失は、入力電圧が高 いとき、 またはこのスイッチのデューティ・サイクルがほぼ 100% になる短絡時に最も大きくなります。MOSFETに対する (1+ δ∆T) の項は一般に、正規化されたRDS(ON)対温度の曲線か ら得られますが、低電圧 MOSFETに対しては概算値としてδ = 0.005/ Cを使用することができます。CRSS = QGD/∆VDS は 通常 MOSFETの特性で規定されています。定数 k = 2を使用 して、メイン・スイッチの電力損失の式の2つの項の寄与分を 概算することができます。 チャージャを低損失モードまたは85% 以上の高デューティ・ サイクルで動作させると、トップサイドPチャネルMOSFETの 効率は通常、MOSFET が大型になるほど向上します。非対称 のMOSFETを使用することによって、コストの低減または効 率の向上が可能になります。 最後のページの 「標準的応用例」 にあるショットキー・ダイオー ドD1は、2つのパワー MOSFETの導通の間に生じるデッド・ タイムの間導通します。これによって、効率を1%ほど低下させ る可能性がある、ボトムMOSFETのボディ・ダイオードのオン によるデット・タイム中の電荷蓄積を防ぎます。比較的平均電 流が小さいので、1Aのショットキー・ダイオードは4Aのレギュ レータとして一般的に適切なサイズです。より大きなダイオー ドは接合容量が大きいので、遷移損失が追加されます。 効率の低下が許容できる場合はダイオードを省くことができ ます。 IC の電力損失の計算 LTC4100の電力損失は、トップとボトムのMOSFETのゲート 電荷(それぞれ Q2とQ3)に依存します。ゲート電荷(QG)は メーカーのデータ・シートから決定され、ゲートの電圧振幅お よび MOSFETのドレイン電圧振幅の両方に依存します。ゲー ト電圧振幅に6V、 ドレイン電圧振幅にVDCIN を使用します。 PD = VDCIN •(fOSC(QGQ2 +QGQ3) +IDCIN) +VDD • IDD 例:VDCIN = 19V, fOSC = 345kHz, QGQ2 = 25nC, QGQ3 = 15nC, IDCIN = 5mA, VDD = 5.5V, IDD = 1mA. PD = 428mW VDD 電流の計算 LTC4100のVDD 電流、つまりIDD は3つの成分から成ります。 a. IRUN = クロック動作とIC 内部バイアスによる電流。 b. ITHRM = サーミスタ回路の動作による電流。 c. IACCEL = SMBusアクセラレータの動作による電流。 IDD = IRUN +ITHRM +IACCEL a)IRUN 電流は基本的にクロック・レートには依存しません。 LTC4100はSMBus がアクティブであると判断すると、内部 のHF 発振器がオンします。このHF 発振器は停止イベン トが発生するまで、またはSMBusタイムアウト期間中SDA とSCL がロジック・レベル1の間動作を継続します。その 後 HF 発振器は停止します。したがって、LTC4100 がどのく らい電流を消費するのか判断するには、トランスミッション の長さとトランスミッション・バーストの頻度が SCLのレー トより重要です。下式の中のIQ は、IC がアクティブでない ときにVDD 電圧の関数として消費する定常電流です。実 際にSMBusを通過するメッセージを定量化するのは困難 なので、秒毎のバス使用量を換算してSMBusのアクティビ ティ・レベルを見積ります。 IRUN = メッセージ・デューティ・サイクル • 950μA + (1 −メッセージ・デューティ・サイクル)• IQ ここでIQ (TYP)= VDD/47.2k 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 23 LTC4100 アプリケーション情報 b) ITHRM 電 流 はDC 電 源 のオン/オフによって変 化する SafetySignal(サーミスタ・ピン)のサンプリングによって 生じます。DCDIVは32ms 毎に検出されます。RTHXは Safety Signalの抵抗値で、温度とバッテリ構成によって変 化します。 b1)ITHRM(ON)DCオンの場合: ITHRM(ON)_OVERRANGE = 1/16 • VDD(54.9k+RTHX) / ここでRTHX > 100k ITHRM(ON)_COLD = 1/8 • VDD(54.9k+RTHX) / ここで RTHX > 30k ITHRM(ON)_NORMAL = 1/8 • VDD(54.9k+RTHX) / +1/16 • VDD(1.13k+RTHX) / ITHRM(ON)_HOT* = 1/8 • VDD(54.9k+RTHX) / +1/8 • VDD(1.13k+RTHX) / ここでRTHX < 3k * アンダーレンジを含む b2)ITHRM(OFF)DCオフの場合、サーミスタのモニタリング・ レートは250ms 毎もしくはそれ以下に低減します。 ITHRM(OFF)_OVERRANGE = 1/50 • VDD(54.9k+RTHX) / ここでRTHX > 100k ITHRM(OFF)_COLD = 1/50 • VDD(54.9k+RTHX) / + 1/1000 • VDD(54.9k+RTHX) / ここでRTHX > 30k 例 1)バッテリ・サーミスタ = 400Ω、VDD = 5.0V バッテリ・モード (DCはオフ)、SMBusのアクティビティは 10kHz、SMBusのデューティ・サイクルは2%(ノートブック がサスペンド、スリープ状態の場合)。 ITOTAL = IRUN +ITHRM(OFF)+IACCEL = 121.9μA +5.26μA+2.44μA = 130μA バッテリ・モード、SMBusのデューティ・サイクルは10% (ノートブックはアクティブでアイドル状態の場合) 。 ITOTAL = IRUN +ITHRM(OFF)+IACCEL = 189.5μA +5.26μA+12.2μA = 207μA DCIN = ON、SMBusのデューティ・サイクルは20% (ノートブックはアクティブで充電状態の場合)。 ITOTAL = IRUN +ITHRM(ON)+IACCEL = 274μA +215.6μA+24.4μA = 514μA 2)バッテリ・サーミスタ = 10kΩ、VDD = 5.0V バッテリ・モード (DCはオフ)、SMBusのアクティビティは 10kHz、SMBusデューティ・サイクルは2%: ITOTAL = IRUN +ITHRM(OFF)+IACCEL = 121.9μA +2.14μA+2.44μA = 126μA バッテリ・モード、SMBusのデューティ・サイクルは10%: ITHRM(OFF)_NORMAL = 1/50 • VDD(54.9k+RTHX) / + 1/500 • VDD(54.9k+RTHX) / +1/1000• VDD(1.13k+ / RTHX) ITOTAL = IRUN +ITHRM(OFF)+IACCEL = 189.5μA +2.14μA+12.2μA = 204μA ITHRM(OFF)_HOT* = 1/50 • VDD(54.9k+RTHX) / +1/500 • VDD(54.9k+RTHX) / +1/500 • VDD(1.13k+RTHX) / ITOTAL = IRUN +ITHRM(ON)+IACCEL = 274μA +37.7μA+24.4μA = 336μA DCIN = ON、SMBusのデューティ・サイクルは20%: ここでRTHX < 3k *アンダーレンジを含む c) IACCEL はSMBusアクセラレータによって使用される電流 です。これは、直接 SMBusの周波数、SMBusに送信さ れるメッセージのデューティ・サイクル、さらにSMBusを VDD へドライブするのにかかる時間に依存します。 IACCEL = IPULL − UP • 2 • SMBus 周波数 • メッセージ・デューティ・サイクル • VDD/2.25V • 立ち上がり時間 4100fc 24 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 アプリケーション情報 ソフト・スタートと低電圧ロックアウト LTC4100はITH ピンに0.12μFのコンデンサを接続するとソフ ト・スタートを行います。起動時にはITH ピン電圧はすばやく 0.5Vまで上昇し、その後は内部 30μAプルアップ電流および 外付けコンデンサで設定される速度で上昇します。ITH 電圧 が 0.8Vに達すると、バッテリ充電電流が増加しはじめ、ITH が 2Vで最大電流に達します。0.12μFのコンデンサを使用した場 合、最大充電電流に達する時間は約 2msで、チャージャの入 力電圧は2ms 以内に最大値に達すると考えられます。より長 い起動時間が必要な場合は、コンデンサを最大 1μFにするこ とができます。 い入力サージ電流が生じることがあります。サージ耐性のあ る低 ESRタンタル・コンデンサのみを使用してください。 どの タイプのコンデンサを使用するとしても、定格電圧選択の後 で最も重要なことはリップル電流の要件と容量です。リップル 電流の要件を解決すれば、多くの場合最低容量値は既に満 たされています。以下の式は、最後のページの 「標準的応用 例」 で使用されている補償回路が安定動作する最小容量値 COUT ( 20% 許容誤差) を示します。 COUT(MIN)= 200/L1 アルミ電解コンデンサをACアダプタ入力端子であるC1に使 用すると、活線接続時のリンギングを低減するのに役立ちま す。詳細は 「アプリケーション・ノート88」 を参照ください。 どのスイッチング・レギュレータでも、入力電圧がタイムアウト 周期よりはるかに遅く立ち上がると、従来のタイマベースのソ 4Aリチウム・バッテリ・チャージャ (最後のページの 「標準的応 フト・スタートが行えなくなる可能性があります。これは一般 用例」) では、入力コンデンサ (C2) がコンバータのすべての入 にバッテリ・チャージャやコンピュータの電源のスイッチング・ 力スイッチング・リップル電流を吸収することになるので、十分 レギュレータが、負荷に一定量の電力を供給しているためで なリップル電流定格を持っていることが必要です。ワースト時 す。入力電圧がソフト・スタート時間に比較して低速で上昇 RMSリップル電流は、 出力充電電流の1/2になります。C2はC4 する場合、入力電圧が最終値よりまだずっと低いときに、レ の容量値以上にすることを推奨します。 ギュレータは負荷に最大電力を供給しようとします。アダプタ (出力コンデンサ) が電流制限されている場合、低い出力電圧では最大電力を 出力コンデンサ (C4) も出力スイッチング電流のリップルを吸 供給できず、アダプタ出力が低い出力電圧で電流制限状態 収すると想定されています。コンデンサを流れる電流の一般 になったままの擬似 ラッチ 状態になる可能性があります。 式は以下のとおりです。 たとえば、チャージャとコンピュータを合わせた最大負荷電 力が 30Wの場合、15Vのアダプタは2.5Aに電流制限される ⎞ ⎛ V 0.29 ( VBAT ) • ⎜ 1 – BAT ⎟ ことがあります。最大電力が引き出されるときアダプタ電圧が V ⎝ DCIN ⎠ IRMS = (30W/2.5A=12V) より低ければ、アダプタ電圧は持続する L1• f 30Wの負荷によって引き下げられ、もはやスイッチング・レギュ 例えば、VDCIN = 19V、VBAT = 12.6V、L1 = 10μH、f = 300kHz レータは最大負荷を供給できなくなり、負荷がより低い安定 の場合はI RMS = 0.41A 状態に至るまで出力電圧はそこに固定されます。この状態は、 最大電力を実現可能な最小アダプタ電圧より高く設定した 一般にEMIを配慮すれば、バッテリのリード線のリップル電 DCDIV 抵抗分割器を利用することによって回避できます。 流を小さくする必要があり、 フェライト・ビーズまたはインダクタ を追加し て、 300kHzのスイ ッチング周波数でのバッテリのイ ン 入力および出力コンデンサ ピーダンスを大きくすることができます。スイッチング・リップル 高容量、低 ESR/ESLのX5Rタイプのセラミック・コンデンサ 電流は、出力コンデンサのESRとバッテリのインピーダンスに の使用を推奨します。代替品としてOSCONやPOSCAP があ 応じて、バッテリと出力コンデンサに配分されます。C3のESR ります。電解アルミニウム・コンデンサはESRとESLの特性が が 0.2Ωで、バッテリのインピーダンスがビーズもしくはインダ 良くないので推奨できません。低 ESRの個体タンタル・コンデ クタによって4Ωに増大する場合、バッテリには電流リップル ンサは使用可能ですが、入力または出力のバイパスに使用す のわずか 5%しか流れません。 る場合は注意が必要です。ACアダプタをチャージャに活線 接続するとき、またはバッテリをチャージャに接続するとき、高 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 25 LTC4100 アプリケーション情報 SMBus 入力の保護 VDD バッテリがシステムに接続されるときはいつでも、SMBus 入 力 (SCLとSDA)には制御されない過渡信号が加わります。 SMBus 入力は、バッテリに静電荷がある場合、繰り返し受け ると損傷を与える可能性のある過渡信号にさらされます。ま た、バッテリの正端子が負端子より前にコネクタに接触する と、SMBus 入力に、バッテリの全電位だけグランドより低い 電圧が加わり、その結果、SMBus 入力に接続されたあらゆる デバイスがラッチアップする可能性が生じます。したがって、 図 10に示すようにSMBusの入力を保護するのが適切な設計 です。 CONNECTOR TO BATTERY TO SYSTEM 4100 F10 図 10. 推奨 SMBus 過渡保護回路 SWITCH NODE L1 SafetySignal(サーミスタ)値 VBAT SafetySignal( 最後のページの 「標準的応用例」)、は複数の 機能をもつ信号で重要度順に3つの情報を伝達します。 VIN C2 1)スマート・バッテリの有無。 HIGH FREQUENCY CIRCULATING PATH D1 C4 BAT 2)ウェイクアップ充電に許可される最大時間。 4100 F11 3)オプションの冗長温度測定システム。 グランドとの抵抗値により、これら全ての情報を伝達します。 抵抗値の範囲とその意味は、SBSスマート・バッテリ規格のセ クション6に記述されています。リチウムイオンなど、無期限の ウェイクアップ充電に耐えられない種類のバッテリの場合は、 SafetySignalの抵抗値は425Ω 以下である必要があります。 300Ωの固定抵抗を使うのが一般的です。もしくは通常 10kの NTC 抵抗を使用して10kの抵抗値にして下さい。 図 11. 高速スイッチング経路 充電電流の方向 RSENSE CSPとBATへのビア 4100 F12 図 12. 充電電流のケルビン検出 4100fc 26 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 アプリケーション情報 PCBレイアウトの検討事項 効率を最大にするため、スイッチ・ノードの立ち上がり時間と 立ち下がり時間を最小にします。電磁放射と高周波共振の問 題を防ぐには、ICに接続される部品の適切なレイアウトが不 可欠です (図 11. 参照)。以下のPCBデザインの優先順位リス トは適切なレイアウトを実現するのに役立ちます。ここに示さ れている順序に従ってPCBをレイアウトしてください。 1. 入力コンデンサは、スイッチング FETの電源とグランドので きるだけ近くに配置します。最短の銅トレースで接続します。 これらの部品は同じレイヤに配置する必要があります。これ らの接続にビアは使いません。 2. 制御 ICはスイッチング FETのゲート端子の近くに配置しま す。クリーンなFETドライブを提供するため接続トレースを 短くします。これには、スイッチング FETのソース・ピンに接 続されるICの電源ピンとグランド・ピンも含まれます。これ に関連してICはPCBの反対側に配置することも可能です。 3. インダクタ入力はスイッチングFETにできるだけ近づけて配 置します。 このトレースの表面積を最小にします。 トレース幅 は電流に対応するのに必要な最小幅にします−銅を敷き 詰めないようにします。多層レイヤを使った並列接続は避 けてください。このノードと他のトレースやプレーンとの間に 生じる容量を最小にします。 4. 出力電流センス抵抗はインダクタ出力に隣接させて配置し ますが、この抵抗へのICの電流検出フィードバック・トレー スが長くならない方向にします。これらのフィードバック・ト レースは、同じレイヤ上で常にまとめて一対にし、できるだ け小さなトレース間隔で配線する必要があります。これらの トレース上のフィルタ部品は、センス抵抗のところではなく、 すべてICに隣接させて配置します。 5. 出力コンデンサはセンス抵抗の出力とグランドに隣接させ て配置します。 6. 出力コンデンサのグランドは、システム・グランドに戻す前 に、入力コンデンサのグランドが接続されているのと同じ銅 に接続する必要があります。 セレクタとのインタフェース LTC4100はSafetySignal 検出パスに真のアナログ・マルチプレ クサを使用するように設計されています。さまざまなメーカー のセレクタICの中には実装できないものもあります。詳細に関 しては弊社にお問い合わせください。 電子負荷 LTC4100は実際のバッテリで動作するように設計されていま す。電子負荷はLTC4100の動作を不安定にして正確な電流 と電圧のプログラムの支障になることがあります。詳細に関し ては弊社にお問い合わせください。 4100fc 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 27 LTC4100 パッケージ 最新のパッケージ図面については、http://www.linear-tech.co.jp/designtools/packaging/を参照してください。 G Package 24-Lead Plastic SSOP (5.3mm) (Reference LTC DWG # 05-08-1640) 7.90 – 8.50* (.311 – .335) 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 1.25 ±0.12 7.8 – 8.2 5.3 – 5.7 7.40 – 8.20 (.291 – .323) 0.42 0.03 0.65 BSC 推奨半田パッド・レイアウト 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 5.00 – 5.60** (.197 – .221) 2.0 (.079) MAX 0° – 8° 0.09 – 0.25 (.0035 – .010) 0.65 (.0256) BSC 0.55 – 0.95 (.022 – .037) NOTE: 1. 標準寸法:ミリメートル ミリメートル 2. 寸法は (インチ) 0.22 – 0.38 (.009 – .015) TYP 0.05 (.002) MIN G24 SSOP 0204 3. 図は実寸とは異なる *寸法にはモールドのバリを含まない。 モールドのバリは各サイドで0.152mm(0.006”) を超えないこと **寸法にはリード間のバリを含まない。 リード間のバリは各サイドで0.254mm(0.010”) を超えないこと 4100fc 28 詳細:www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LTC4100 改訂履歴 (改訂履歴は Rev B から開始) REV 日付 B 10/09 C 02/14 説明 ページ番号 標準的応用例に表を追加 ピン機能にテキスト追加 動作セクションのテキスト変更 表 1を変更 「VDD 電流の計算」 のセクションを追加 「入力と出力のコンデンサ」 のセクションの更新 「SafetySignal (サーミスタ)値」 のセクションの追加 標準的応用例の変更 1 8 11、12、15 13 23 25 26 29 SafetySignal Tripの条件 : RTHB を54.9Ωから54.9kΩに変更 4 4100fc リニアテクノロジー・コーポレーションがここで提供する情報は正確かつ信頼できるものと考えておりますが、その使用に関する責務は一切負い ません。また、ここに記載された回路結線と既存特許とのいかなる関連についても一切関知いたしません。なお、日本語の資料はあくまでも参考 資料です。訂正、変更、改版に追従していない場合があります。最終的な確認は必ず最新の英語版データシートでお願いいたします。 29 LTC4100 標準的応用例 LTC4100リチウムイオン・バッテリ・チャージャILIM = 4A/VLIM = 17.4V、アダプタ定格 = 2.7A RCL 0.033Ω 0.5W 1% DCIN 15V TO 20V DCIN FROM WALL ADAPTER Q1 C9 0.1µF 10V C1 0.1µF R10 13.7k 1% 4 5 11 R11 1.21k 1% R5 6.04k 1% 19 24 INFET CLP DCIN TGATE 1 10 3V TO 5.5V 10k 6 10k D2 7 D3 8 SDA D4 SCL 9 100k Q2 ITH PGND 3 ILIM VSET THA SMBALERT THB SDA SCL D5 4100 TA02 OPTIONAL DISCHARGE PATH TO SYSTEM LOAD 2 18 L1 10µH 4A RSNS 0.025Ω 0.5W, 1% C4 0.01µF 25V C5 0.1µF 10V ACP CHGEN D1 Q3 Q4 C2, C3 10µF × 2 25V X5R DCDIV BGATE D6 DCIN 23 CLN C6, 0.12µF 10V, X7R LTC4100 C7, 0.0015µF 10V, X7R 20 21 CSP IDC C8, 0.068µF 12 10V, X7R GND 22 0.1µF BAT 17 10V VDD R6, RVLIM 33k 14 VLIM 13 SYSTEM LOAD R1 4.9k 16 C4,C5 10µF × 2 25V X5R 4-CELL Li-Ion SMART BATTERY R4 100Ω RTHA 1.13k 1% SafetySignal 300Ω SDA 15 RTHB 54.9k 1% D1: MBRM140T3G D2-D5: SMALL SIGNAL SCHOTTKY D6: 18V ZENER DIODE Q1: 1/2 Si4925BDY Q2: FDS6685 Q3: FDC645N Q4: 1/2 Si4925 SCL 関連部品 製品番号 LTC1760 説明 スマート・バッテリ・システム・マネージャ LTC1960 SPIインタフェースの デュアル・バッテリ・チャージャ/セレクタ バッテリ・チャージャと DC/DCコンバータの組み合わせ 小型、高効率、固定電圧、 リチウムイオン・バッテリ・チャージャ 充電終了付き、電圧プログラムが可能な 高効率バッテリ・チャージャ 電圧 / 電流プログラムが可能な 高効率バッテリ・チャージャ スマート・バッテリ・チャージャ・コントローラ LTC1980 LTC4006 LTC4007 LTC4008 LTC4101 LTC4412 低損失 PowerPath™ コントローラ 注釈 スマート・バッテリ 2 向け自動パワー・マネージメントおよびバッテリ充電、 SMBus Rev 1.1 準拠 2 個のバッテリの同時充電または放電、DACでプログラム可能な 電流と電圧、充電電流を最大にする入力電流制限 バッテリ電圧を超える、または下回る入力電圧が可能、 最大フロート電圧 8.4V、24ピン SSOP パッケージ 充電終了タイマ付き定電流 / 定電圧スイッチング・レギュレータ、 ACアダプタ電流制限および小型 16ピンパッケージのSafetySignalセンサ 3または4セルのリチウムイオン・バッテリ用チャージャ、 ACアダプタ電流制限、SafetySignalセンサおよび表示出力 定電流/定電圧スイッチング・レギュレータ;抵抗による電圧/電流プログラム、 ACアダプタ電流制限およびSafetySignalセンサ 電圧 5.5V 以下のスマート・バッテリ向け 外付け部品の少ない電源 ORダイオードの超低損失代替 4100fc 30 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紀尾井町パークビル8F TEL 03-5226-7291 ● FAX 03-5226-0268 ● www.linear-tech.co.jp/LTC4100 LT 0214 REV C • PRINTED IN JAPAN LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION 2006
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