リチウムイオン電池充電システムの違い

現在、ポータブルデバイスの電源の問題は、システム設計者に多くの課題をもたらしています。主電源としての電池の使用はますます一般的になっています。したがって、システム設計者は、バッテリーの可能性を最大限に引き出すために、高度に洗練されたシステムを設計する必要があります。アプリケーションはそれぞれ異なりますが、同じことが1つあります。バッテリーの容量を最大限に活用するという目標は、充電式バッテリーを適切に充電する方法に直接関係しています。適切で信頼性の高いバッテリ充電システムを設計するには、バッテリ充電特性とアプリケーション要件を深く理解する必要があります。それぞれの方法には長所と短所があり、特定のアプリケーションと要件は、どの方法が最も適しているかを決定するための重要な要素です。

充電システムは、特にコストに敏感なアプリケーションでは、設計においてほとんど注目されないことがよくあります。ただし、充電システムの品質は、バッテリーの寿命と信頼性にとって重要です。この論文では、リチウムイオン電池充電の基本原理について説明し、線形充電ソリューションとシングルチップに基づくスイッチングソリューションについて詳しく説明します。マイクロチップMCP73843およびMCP73861の線形充電管理コントローラー、シングルチップPIC16F684、およびMCP1630パルス幅変調器（PWM）を例として説明します。

リチウムイオン充電

充電または放電の速度は、通常、バッテリーの容量で表されます。この速度はC速度と呼ばれます。 Cレートは、特定の条件下での充電電流または放電電流に等しく、次のように定義されます。

I = M x Cn

その中で：

I =充電または放電電流、A

MはCの倍数または分数に等しい

C =定格容量の値、Ah

N =時間（Cの場合）。

1 Cの速度で放電するバッテリーは、1時間で公称容量を解放します。たとえば、公称容量が1000mAhの場合、1Cの放電率は1000mAの放電電流に対応し、C / 10の率は100mAの放電電流に対応します。

通常、メーカーの標準バッテリー容量は、n = 5の場合の容量、つまり5時間の放電を指します。たとえば、上記のバッテリーは、200mAの定電流で5時間の動作時間を提供できます。理論的には、バッテリーは1000mAの定電流放電で1時間の動作時間を提供できます。ただし、実際には、大容量バッテリーを放電すると効率が低下するため、動作時間は1時間未満になります。

では、どのようにしてリチウムイオン電池を適切に充電しますか？リチウムイオン電池の最適な充電プロセスは、トリクル充電、定電流充電、定電圧充電、充電終了の4つの段階に分けることができます。

充電終了方式

リチウムイオン電池にとって、過充電が常に大きな懸念事項であったことは間違いありません。安全で信頼性の高い充電システムにとって、正確な充電終了方法は非常に重要です。

バッテリー温度の監視

一般的に、リチウムイオン電池の温度範囲は0℃から45℃の間でなければなりません。この範囲外でバッテリーを充電すると、バッテリーが過熱する可能性があります。充電サイクル中、バッテリー内の圧力が上昇すると、バッテリーも膨張します。温度は圧力に直接関係しています。温度が上昇すると圧力も上昇し、バッテリー内部の機械的損傷や材料の漏れ、ひどい場合には爆発につながる可能性があります。この温度範囲外でバッテリーを充電すると、パフォーマンスが低下したり、寿命が短くなる可能性もあります。

通常、サーミスタは、バッテリーの温度を正確に測定するためにリチウムイオンバッテリーパックで使用されます。充電器はサーミスタの抵抗値を検出します。抵抗値が規定の動作範囲を超えた場合、つまり温度が規定の範囲を超えた場合、充電は禁止されます。

バッテリー放電電流または逆リーク電流

多くのアプリケーションでは、入力電力が存在しなくても、充電システムはバッテリーに接続されたままです。充電システムは、バッテリーから引き出される電流が非常に小さいときに入力電力が存在しないことを保証する必要があります。最大リーク電流は数マイクロアンペア未満、通常は1マイクロアンペア未満である必要があります。

リチウムイオン充電-アプリケーション例

上記の考慮事項を十分に考慮することにより、適切な充電管理システムを開発することができます。

線形ソリューション

線形充電ソリューションは通常、十分に調整された入力電源がある場合に使用されます。このようなアプリケーションでの線形ソリューションの利点には、使いやすさ、サイズの小ささ、低コストなどがあります。線形充電ソリューションの効率が低いため、設計に影響を与える最も重要な要素は熱放散設計です。熱放散設計は、入力電圧、充電電流、伝達トランジスタと周囲の冷却空気の間の熱抵抗です。最悪のシナリオは、デバイスがトリクル充電から定充電に移行する場合です。この場合、転送トランジスタは最大量の熱エネルギーを放出し、充電電流、システムサイズ、コスト、および冷却要件と比較検討する必要があります。

たとえば、1つの1000mAhリチウムイオン電池は、5V 5％入力電源を使用して0.5cまたは1Cの定電流で充電する必要があります。図3は、MicrochipのMCP73843を使用して、必要な充電アルゴリズムを実装するために非常に少数の外部コンポーネントのみを必要とする低コストの独立したソリューションを形成する方法を示しています。 MCP73843は、高精度の定電流充電、定電圧電圧調整、自動充電終了などの機能を完全に組み合わせています。

線形ソリューションのサイズ、コスト、および複雑さをさらに削減するために、多くの外部コンポーネントを充電管理コントローラーに統合できます。高度なパッケージングは、柔軟性を犠牲にしてより優れた統合を提供します。このようなパッケージには高度な生産設備が必要であり、多くの場合、手直しが不要です。通常、充電電流検出、転送トランジスタ、逆放電保護が統合されています。さらに、この種の充電管理コントローラーは、特定の温度調整機能を実現できます。温度調整機能により、デバイスコアの温度に応じて充電電流を制限し、デバイスの信頼性を確保しながら充電サイクルタイムを最適化することができます。放熱機能により、放熱設計の負担を大幅に軽減します。

MicrochipMCP73861に基づく統合線形ソリューション全体を図4に示します。MCP73861には、電流検出、伝送トランジスタ、逆放電保護、バッテリ温度監視など、MCP73843のすべての機能が含まれています。

1Cおよび0.5cの定電流充電レートでのMCP73843の充電サイクル全体を図5に示します。1Cではなく0.5cのレートで充電すると、充電は約1時間後に終了します。急速充電の過程で、充電終了電流は充電電流に比例して減少します。その結果、充電時間が36％増加し、バッテリー容量が2％増加し、電力損失が減少します。充電終了電流は0.07Cから0.035Cに低下し、最終的なバッテリー容量が約98％から約100％に増加します。システム設計者は、充電時間、電力損失、および使用可能なバッテリー容量を検討する必要があります。

スイッチング充電ソリューション

スイッチング充電ソリューションは通常、入力電圧の変動が大きいアプリケーションや入力/出力電圧の差が大きいアプリケーションに使用されます。このようなアプリケーションでは、スイッチングソリューションの利点は効率の向上に反映されますが、欠点はシステムが複雑で、サイズが比較的大きく、コストが高いことです。たとえば、アプリケーションでは、単一セクションの2200mahリチウムイオンバッテリーで0.5Cまたは1Cの定電流のカーアダプターを使用する必要があります。これは、熱放散、線形ソリューションの実装などの問題が非常に難しいためです。もちろん、次の目的にも使用できます。温度調整の線形ソリューションをサポートしますが、充電電流が少ないため、充電サイクルを延長することはできません。

スイッチング充電ソリューションの設計を成功させるための最初のステップは、設計構成を選択することです。ステップダウン、ステップアップ、リットル/ステップダウン、フライバック、単一端子一次インダクタンス（SEPIC）またはその他の形式です。入力と出力の要件と経験に応じて、このアプリケーションの選択を2つの構造（ステップダウンまたはSEPIC）にすばやく絞り込むことができます。降圧コンバータの利点は、インダクタが1つだけ必要なことですが、欠点は、逆放電保護、ハイエンドゲートドライブと電流検出、およびパルス入力電流（EMIを引き起こす可能性があります）に追加のダイオードが必要なことです。 SEPICトポロジの利点は、低ゲートドライブと電流検出、連続入力電流、および入力と出力間のDC絶縁です。主な欠点は、2つのインダクタとエネルギー伝送コンデンサが必要なことです。

MCP1630は、シングルチップマイクロコンピュータで使用できる高速パルス幅変調器（PWM）です。 MCP1630は、シングルチップマイクロコンピュータを使用して、電源システムのデューティサイクルを制御し、安定した出力電圧または電流を提供できます。 PIC16F684 MCUは、出力電圧または電流の安定性、およびスイッチング周波数と最大デューティ比の調整に使用できます。 MCP1630はデューティサイクルを生成し、さまざまな外部入力に基づいて高速過電流保護を提供します。外部信号には、入力発振器、基準電圧、フィードバック電圧、および電流検出が含まれます。出力信号は方形波パルスです。充電器はSEPICの電源構造を使用しています。 SCMは、設計の柔軟性を大幅に向上させます。また、MCUはバッテリパック内のバッテリモニタ（マイクロチップ社のPS700）と通信できるため、充電サイクル時間を大幅に短縮できます。

スイッチング充電ソリューションの充電サイクル全体を図6に示します。充電システムでバッテリーモニターを使用することにより、充電サイクルを大幅に短縮でき、バッテリーモニターで両端の電圧を検出する必要がなくなります。バッテリーパック保護回路と充電電流の接触抵抗。

結論

現在のポータブル製品では、バッテリー充電を正しく実装するには、設計を慎重に検討する必要があります。このホワイトペーパーでは、リチウムイオン電池のリニアおよびスイッチング充電ソリューションについて説明します。このホワイトペーパーで説明する基本原則と設計上の考慮事項は、実際にはすべてのバッテリ充電システムの設計で考慮する必要があるものです。

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現在、ポータブルデバイスの電源の問題は、システム設計者に多くの課題をもたらしています。主電源としての電池の使用はますます一般的になっています。したがって、システム設計者は、バッテリーの可能性を最大限に引き出すために、高度に洗練されたシステムを設計する必要があります。アプリケーションはそれぞれ異なりますが、同じことが1つあります。バッテリーの容量を最大限に活用するという目標は、充電式バッテリーを適切に充電する方法に直接関係しています。適切で信頼性の高いバッテリ充電システムを設計するには、バッテリ充電特性とアプリケーション要件を深く理解する必要があります。それぞれの方法には独自の長所と短所があり、特定のアプリケーションと要件は、どの方法が最も適しているかを決定するための重要な要素です。

充電システムは、特にコストに敏感なアプリケーションでは、設計においてほとんど注目されないことがよくあります。ただし、充電システムの品質は、バッテリーの寿命と信頼性にとって重要です。この論文では、リチウムイオン電池充電の基本原理について説明し、線形充電ソリューションとシングルチップに基づくスイッチングソリューションについて詳しく説明します。マイクロチップMCP73843およびMCP73861の線形充電管理コントローラー、シングルチップPIC16F684、およびMCP1630パルス幅変調器（PWM）を例として説明します。

リチウムイオン充電

充電または放電の速度は、通常、バッテリーの容量で表されます。この速度はC速度と呼ばれます。 Cレートは、特定の条件下での充電電流または放電電流に等しく、次のように定義されます。

I = M x Cn

その中で：

I =充電または放電電流、A

MはCの倍数または分数に等しい

C =定格容量の値、Ah

N =時間（Cの場合）。

1 Cの速度で放電するバッテリーは、1時間で公称容量を解放します。たとえば、公称容量が1000mAhの場合、1Cの放電率は1000mAの放電電流に対応し、C / 10の率は100mAの放電電流に対応します。

通常、メーカーの標準バッテリー容量は、n = 5の場合の容量、つまり5時間の放電を指します。たとえば、上記のバッテリーは、200mAの定電流で5時間の動作時間を提供できます。理論的には、バッテリーは1000mAの定電流放電で1時間の動作時間を提供できます。ただし、実際には、大容量のバッテリーを放電すると効率が低下するため、動作時間は1時間未満になります。

では、どのようにしてリチウムイオン電池を適切に充電しますか？リチウムイオン電池の最適な充電プロセスは、トリクル充電、定電流充電、定電圧充電、充電終了の4つの段階に分けることができます。

ステージ1：トリクル充電-トリクル充電は、完全に放電したバッテリーユニットをプリチャージするために使用されます（回復充電）。バッテリー電圧が約3V未満の場合、最大0.1cの定電流を使用してバッテリーを充電します。

ステージ2：定電流充電-バッテリー電圧がトリクル充電しきい値を超えると、定電流充電のために充電電流が増加します。定電流充電電流は0.2cから1.0cの間です。定電流充電電流は非常に正確である必要はありませんが、準定電流でもかまいません。リニア充電器の設計では、転送トランジスタの熱放散を最小限に抑えるために、電流はバッテリ電圧とともに上昇することがよくあります。

1Cを超える定電流充電では、充電サイクル全体の時間が短縮されないため、このアプローチはお勧めできません。より高い電流で充電されると、電極反応の過電圧とバッテリーの内部インピーダンスの電圧上昇により、バッテリー電圧はより急速に上昇します。定電流充電段階は短くなりますが、それに応じて下の定電圧充電段階の時間が長くなるため、総充電サイクル時間は短くなりません。

ステージ3：定電圧充電-バッテリー電圧が4.2vに上昇すると、定電流充電が終了し、定電圧充電ステージが始まります。最適なパフォーマンスを得るには、電圧許容誤差を+ 1％より大きくする必要があります。

フェーズ4：充電終了-ニッケル電池とは異なり、リチウムイオン電池の連続トリクル充電は推奨されません。継続的なトリクル充電は、リチウム金属のプレートめっき効果につながります。これによりバッテリーが不安定になり、突然の自動で迅速な分解が発生する可能性があります。

2つの典型的な充電終了方法があります：最小充電電流判定を使用するか、タイマーを使用する（または2つの組み合わせ）。最小電流方式は、定電圧充電段階で充電電流を監視し、充電電流が0.02C〜0.07Cの範囲に減少すると充電を終了します。 2番目の方法は、定電圧充電段階の開始から計時され、2時間の連続充電後に充電プロセスを停止します。

上記の4段階充電方法では、バッテリーを完全に放電するのに約2.5〜3時間かかります。高度な充電器には、より多くのセキュリティ対策が施されています。たとえば、バッテリーの温度が指定されたウィンドウ（通常は0℃から45℃）を超えると、充電が一時停止されます。

リチウムイオン充電-システムの考慮事項

充電プロセスを迅速かつ確実に完了するには、高性能の充電システムが必要です。信頼性が高く費用効果の高いソリューションを実現するには、設計で次のシステムパラメータを考慮する必要があります。

入力ソース

多くのアプリケーションは、入力電源として非常に安価なACアダプタを使用しています。その出力電圧は、主にAC入力電圧とACアダプタから流れる負荷電流に依存します。

米国の標準的な壁コンセントのACバス入力電圧の範囲は、通常、90VRMSから132VRMSです。定格入力電圧が120VRMSで、許容誤差が+ 10％であると仮定しますか？ 25％。充電器は、入力電圧の影響を受けないように、バッテリーに適切な電圧調整を提供する必要があります。充電器の入力電圧は、ACバス電圧と充電電流に比例します。

VO vin = 2 x（REQ + RPTC）-a-1 o 2 x VFDS

REQは、2次巻線の抵抗と1次巻線の反射抵抗の合計（RP / a2）です。 RPTCはPTCの抵抗であり、VFDはブリッジ整流器の順方向電圧降下です。さらに、トランスのコア損失により、出力電圧もわずかに低下します。

車のアダプターを使用してバッテリーを充電するアプリでも、同様の問題が発生します。カーアダプターの出力電圧は、通常9V〜18Vの範囲です。

定電流充電率と精度

特定のアプリケーションのトポロジーの選択は、充電電流によって決定される場合があります。多くの定電流充電アプリケーションまたはマルチバッテリー充電アプリケーションは、スイッチング充電ソリューションを使用して、効率を高め、過度の発熱を回避します。サイズとコストの理由から、低および中距離の急速充電アプリケーションは線形ソリューションを使用する傾向があり、熱の形でより多くのエネルギーを失います。線形充電システムの場合、定電流充電耐性が非常に重要になります。耐電圧が大きすぎると、トランスファートランジスタなどの部品を大きくする必要があり、サイズとコストが大きくなります。また、定電流充電電流が小さすぎると、充電サイクル全体が長くなります。

出力電圧安定精度

バッテリ容量を最大限に活用するには、出力電圧の安定化精度が重要です。出力電圧の精度がわずかに低下すると、バッテリ容量が大幅に低下する可能性もあります。ただし、安全性と信頼性の理由から、出力電圧を自由に高く設定することはできません。図2は、出力電圧の安定性の精度の重要性を示しています。

充電終了方式

リチウムイオン電池にとって、過充電が常に大きな懸念事項であったことは間違いありません。安全で信頼性の高い充電システムにとって、正確な充電終了方法は非常に重要です。

バッテリー温度の監視

一般的に、リチウムイオン電池の温度範囲は0℃から45℃の間でなければなりません。この範囲外でバッテリーを充電すると、バッテリーが過熱する可能性があります。充電サイクル中、バッテリー内の圧力が上昇すると、バッテリーも膨張します。温度は圧力に直接関係しています。温度が上昇すると圧力も上昇し、バッテリー内部の機械的損傷や材料の漏れ、ひどい場合には爆発につながる可能性があります。この温度範囲外でバッテリーを充電すると、パフォーマンスが低下したり、寿命が短くなる可能性もあります。

通常、サーミスタは、バッテリーの温度を正確に測定するためにリチウムイオンバッテリーパックで使用されます。充電器はサーミスタの抵抗値を検出します。抵抗値が規定の動作範囲を超えた場合、つまり温度が規定の範囲を超えた場合、充電は禁止されます。

バッテリー放電電流または逆リーク電流

多くのアプリケーションでは、入力電力が存在しなくても、充電システムはバッテリーに接続されたままです。充電システムは、バッテリーから引き出される電流が非常に小さいときに入力電力が存在しないようにする必要があります。最大リーク電流は数マイクロアンペア未満、通常は1マイクロアンペア未満である必要があります。

リチウムイオン充電-アプリケーション例

上記の考慮事項を十分に考慮することにより、適切な充電管理システムを開発することができます。

線形ソリューション

線形充電ソリューションは通常、十分に調整された入力電源がある場合に使用されます。このようなアプリケーションでの線形ソリューションの利点には、使いやすさ、サイズの小ささ、低コストなどがあります。線形充電ソリューションの効率が低いため、設計に影響を与える最も重要な要素は熱放散設計です。熱放散設計は、入力電圧、充電電流、伝達トランジスタと周囲の冷却空気の間の熱抵抗です。最悪のシナリオは、デバイスがトリクル充電から一定充電に移行する場合です。この場合、転送トランジスタは最大量の熱エネルギーを放出し、充電電流、システムサイズ、コスト、および冷却要件と比較検討する必要があります。

たとえば、1つの1000mAhリチウムイオン電池は、5V 5％入力電源を使用して0.5cまたは1Cの定電流で充電する必要があります。図3は、MicrochipのMCP73843を使用して、必要な充電アルゴリズムを実装するために非常に少数の外部コンポーネントのみを必要とする低コストの独立したソリューションを形成する方法を示しています。 MCP73843は、高精度の定電流充電、定電圧電圧調整、自動充電終了などの機能を完全に組み合わせています。

線形ソリューションのサイズ、コスト、および複雑さをさらに削減するために、多くの外部コンポーネントを充電管理コントローラーに統合できます。高度なパッケージングは、柔軟性を犠牲にしてより優れた統合を提供します。このようなパッケージには高度な生産設備が必要であり、多くの場合、手直しが不要です。通常、充電電流検出、転送トランジスタ、逆放電保護が統合されています。さらに、この種の充電管理コントローラーは、特定の温度調整機能を実現できます。温度調整機能により、デバイスコアの温度に応じて充電電流を制限し、デバイスの信頼性を確保しながら充電サイクルタイムを最適化することができます。放熱機能により、放熱設計の負担を大幅に軽減します。

MicrochipMCP73861に基づく統合された線形ソリューション全体を図4に示します。MCP73861には、電流検出、伝送トランジスタ、逆放電保護、バッテリ温度監視など、MCP73843のすべての機能が含まれています。

充電サイクル波形

1Cおよび0.5cの定電流充電レートでのMCP73843の充電サイクル全体を図5に示します。1Cではなく0.5cのレートで充電すると、充電は約1時間後に終了します。急速充電の過程で、充電終了電流は充電電流に比例して減少します。その結果、充電時間が36％増加し、バッテリー容量が2％増加し、電力損失が減少します。充電終了電流は0.07Cから0.035Cに低下し、最終的なバッテリー容量が約98％から約100％に増加します。システム設計者は、充電時間、電力損失、および使用可能なバッテリー容量を検討する必要があります。

スイッチング充電ソリューション

スイッチング充電ソリューションは通常、入力電圧の変動が大きいアプリケーションや入力/出力電圧の差が大きいアプリケーションに使用されます。このようなアプリケーションでは、スイッチングソリューションの利点は効率の向上に反映されますが、欠点はシステムが複雑で、サイズが比較的大きく、コストが高いことです。たとえば、アプリケーションでは、単一セクションの2200mahリチウムイオンバッテリーで0.5Cまたは1Cの定電流のカーアダプターを使用する必要があります。これは、熱放散、線形ソリューションの実装などの問題が非常に難しいためです。もちろん、次の目的にも使用できます。温度調整の線形ソリューションをサポートしますが、充電電流が少ないため、充電サイクルを延長することはできません。

スイッチング充電ソリューションの設計を成功させるための最初のステップは、設計構成を選択することです。ステップダウン、ステップアップ、リットル/ステップダウン、フライバック、単一端子一次インダクタンス（SEPIC）またはその他の形式です。入力と出力の要件と経験に応じて、このアプリケーションの選択を2つの構造（ステップダウンまたはSEPIC）にすばやく絞り込むことができます。降圧コンバータの利点は、インダクタが1つだけ必要なことですが、欠点は、逆放電保護、ハイエンドゲートドライブと電流検出、およびパルス入力電流（EMIを引き起こす可能性があります）に追加のダイオードが必要なことです。 SEPICトポロジの利点は、低ゲートドライブと電流検出、連続入力電流、および入力と出力間のDC絶縁です。主な欠点は、2つのインダクタとエネルギー伝送コンデンサが必要なことです。

MCP1630は、シングルチップマイクロコンピュータで使用できる高速パルス幅変調器（PWM）です。 MCP1630は、シングルチップマイクロコンピュータを使用して、電源システムのデューティサイクルを制御し、安定した出力電圧または電流を提供できます。 PIC16F684 MCUは、出力電圧または電流の安定性、およびスイッチング周波数と最大デューティ比の調整に使用できます。 MCP1630はデューティサイクルを生成し、さまざまな外部入力に基づいて高速過電流保護を提供します。外部信号には、入力発振器、基準電圧、フィードバック電圧、および電流検出が含まれます。出力信号は方形波パルスです。充電器はSEPICの電源構造を使用しています。 SCMは、設計の柔軟性を大幅に向上させます。また、MCUはバッテリパック内のバッテリモニタ（マイクロチップ社のPS700）と通信できるため、充電サイクル時間を大幅に短縮できます。

充電サイクル波形

スイッチング充電ソリューションの充電サイクル全体を図6に示します。充電システムでバッテリーモニターを使用することにより、充電サイクルを大幅に短縮でき、バッテリーモニターで両端の電圧を検出する必要がなくなります。バッテリーパック保護回路と充電電流の接触抵抗。

結論

現在のポータブル製品では、バッテリー充電を正しく実装するには、設計を慎重に検討する必要があります。このホワイトペーパーでは、リチウムイオン電池のリニアおよびスイッチング充電ソリューションについて説明します。このホワイトペーパーで説明する基本原則と設計上の考慮事項は、実際にはすべてのバッテリ充電システムの設計で考慮する必要があるものです。

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