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1セル・リチウムイオン電池で動作する降圧コンバータ

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LTC1626:1セル・リチウムイオン電池で動作する
降圧コンバータ − デザインノート 196
Tim Skovmand
はじめに
1セル・リチウムイオン電池の動作
LTC1626は入力電圧範囲が2.5V∼6Vの低電圧、高効率、
モノリシック降圧DC/DCコンバータで、1セルのリチウム
イオン電池アプリケーションに最適です。低RDS(ON)内蔵
スイッチにより、高効率を達成し最大0.6Aの出力電流を提
供することができます。LTC1626は自動パワーセーブの
バースト・モードTM動作をもち、負荷電流低下時にゲート
電荷損失を低減します。コンバータの消費電流は無負荷時
にはわずか160µA、シャットダウン時には1µAであり、消
費電流に敏感なアプリケーションに最適です。
図1に示すとおり、完全充電された1セル・リチウムイオン
電池は4.1V∼4.2Vの間で放電サイクルを開始します。放電
時間の大部分では、セル電圧は3.5V∼4.0Vです。放電の終
了に近づくと、セル電圧はかなり急速に3V以下に低下しま
す。放電は標準的に2.5V付近で終了します(バッテリ・
メーカの仕様による)。
LTC®1626は、1セル・リチウム電池の放電曲線に適応す
るように特別に設計されています。たとえば、図2に示す
回路を使用すれば、最小2.7Vの電池電圧で2.5V/0.25Aの
安定化出力電圧を供給可能なため、動作時間を最大限にす
ることができます。
5.0
Li-Ion CELL VOLTAGE (V)
4.5
ドロップアウト・モードでの100%デューティ・サイクル
4.0
リチウムイオン電池が放電すると、LTC1626は高効率ス
イッチング・モードDC/DCレギュレータから低ドロップア
ウト・リニア・レギュレータ(100%デューティ・サイク
ル)
に円滑に移行します。このモードでは、バッテリ入力と
レギュレータ出力電圧間の電圧降下は、負荷電流とPMOS
スイッチの直列抵抗、電流センス抵抗、およびインダクタ
によってのみ制限されます。電池の電圧が再び上昇する
と、LTC1626は円滑に高効率DC/DCコンバータに復帰し
ます。
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
0
1
2
3
4
5
DISCHARGE TIME (HOURS)
6
7
DN196 F01
図1. 標準的な1セル・リチウムイオン電池の放電曲線
、LTC、LTはリニアテクノロジー社の登録商標です。
Burst Modeはリニアテクノロジーの商標です。
(2.7V to 4.5V)
SINGLE
Li-Ion
CELL
+
CIN†††
47µF
16V
+
0.1µF
470Ω
LTC1626
D1†
+
COUT††
100µF
6.3V
SENSE +
SENSE –
* COILTRONICS CTX33-4
** IRC 1206-R100F
†
MBRS130LT
††
AVX TPSC107M006R0150
†††
AVX TPSD476K016
RSENSE**
0.1Ω
PGND
CT
CT
270pF
L*
33µH
SW
SHUTDOWN
ITH
3900pF
VIN
PWR VIN
SGND
1000pF
10k
VFB
100pF
10k
DN196 F02
図2. 1セル・リチウムイオン電池の電圧を2.5Vに変換するコンバータ
12/98/196
VOUT
2.5V/0.25A
5V
0.1µF
+
VIN
PWR VIN
LBIN
SW
LTC1626
LBOUT
SHDN
ITH
1k
3900pF
RSENSE**
0.1Ω
CT
CT
270pF
SENSE –
SGND
VOUT
(3.3V/0.6A)
D1
MBRS130LT1
15k
1%
SHUTDOWN PGND
SENSE +
* COILCRAFT D03316-473
** IRC 1206-R100F
†
AVX TPSE227K010
††
AVX TPSD107K010
CIN††
100µF L1*
10V 47µH
+
1000pF
COUT†
220µF
10V
VFB
100pF
9.09k
1%
DN196 F03
図3. 5Vを3.3Vに変換する高効率降圧コンバータ
100
てオフタイムが徐々に短縮されます。
出力はオーバシュートな
しで円滑に安定化状態に復帰します。
EFFICIENCY (%)
95
VIN = 5V
低電圧、低RDS(ON)スイッチ
90
LTC1625の内蔵PMOSスイッチは、電源電圧が低いとき
に抵抗値が極端に低くなるように設計されています。図5
はスイッチ抵抗と電源電圧のグラフです。
85
80
75
L1 = 47µH
VOUT = 3.3V
RSENSE = 0.1Ω
CT = 270pF
70
0.01
0.10
OUTPUT CURRENT (A)
1.00
RDS(ON)は4.5Vで標準0.32Ω、
3.0Vでは約0.40Ωにしか増加し
ません。
この低いスイッチ抵抗によって、
高効率のスイッチン
グと低電源電圧時の低ドロップアウトDC特性を達成していま
す。
DN196 F04
0.60
図4. 効率と負荷電流
TJ = 25°C
0.50
5Vから3.3Vへの高効率変換
RDS(ON) (Ω)
図3の回路では、LTC1626を使用してボードレベルで5Vを
3.3V(最大電流0.6A)に変換しています。リニア・レギュ
レータでもこれを実行できますが、さらに余分な1Wの電
力損失が生じます。高効率なLTC1626では、この損失はわ
ずか230mWに低減されます(図4)。
0.40
0.30
電流モード・アーキテクチャ
0.20
LTC1626はバーストモード動作を行う電流モードDC/DCコン
バータです。
これにより広い負荷電流範囲で非常に高い効率、
高速過渡応答、
超低ドロップアウト特性を実現しています。
さ
らにインダクタ電流が予測可能で、
すべての動作条件において
十分に制御できるため、
インダクタの選択が容易です。
2.0
2.5
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
INPUT VOLTAGE (V)
5.5
6.0
DN196 F05
図5. PMOSスイッチ抵抗と入力電源電圧
まとめ
LTC1626は電流モードでも卓越した起動特性および短絡回復
特性を達成しています。
たとえば、
出力がグランドに短絡する
と、
インダクタ電流の暴走を防ぐために、
オフタイムが延長さ
れます。
短絡が解除されると、
出力コンデンサが充電を開始し
LTC1626は、特に1セル・リチウム電池パックで動作する
ように設計されています。低ドロップアウト、高効率、マ
イクロパワー動作モードにより、セルラー電話、携帯用機
器、および医療用機器に最適です。
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
株式会社マクニカ
〒 224-0045 横浜市都築区東方町 1
TEL(045)474-5114 FAX(045)474-5617
〒 108-0075 東京都港区港南 1-8-27
TEL(03)5462-9615 FAX(03)5462-9695
〒 226-0006 横浜市緑区白山 1-22-2
TEL(045)939-6104 FAX(045)939-6105
リニアテクノロジー株式会社
162-0814 東京都新宿区新小川町 1-14 NAO ビル 5F
TEL(03)3267-7891 FAX(03)3267-8510
http://www.linear-tech.com
0199 4K • PRINTED IN JAPAN
 LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION 1998
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