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DN307 500mA USBポートまたはPCMCIAポートからGSM通信用2A

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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
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