optimizing battery life in dc boost converters using...

AN1337MCP1640 を用いた DC 昇圧型コンバータにおける

バッテリ寿命の最適化

注意 : この日本語版文書は参考資料としてご利用ください。最新情報は必ずオリジナルの英語版をご参照願います。

はじめに

マイクロチップ・テクノロジー社はバッテリ駆動アプリケーション向けにMCP1640/B/C/Dを開発しました。これらのデバイスは高効率、低静止電流、小型、必要な外付け部品が少ない等、今日の設計に必要とされる特長を全て備えています。

MCP1640 は、最大効率 96%、動作周波数 500 kHz の同期整流昇圧型 DC/DC コンバータです。このデバイスは、1/2/3 セルのアルカリ /NiCd/NiMH バッテリ、単セルのリチウムイオン / リチウムポリマバッテリで動作するアプリケーション向けに使いやすい電源ソリューションを提供します。

本書では、実際のアプリケーションで MCP1640 をできるだけ効率的に使う方法について説明します。また、バッテリ寿命を延長するためのヒントについても説明します。

MCP1640/B/C/D の特長

MCP1640/B/C/D には以下の特長があります。

• 0.65 V (typ.) の低起動電圧 (1 mA 負荷、3.3 V 出力時 )、起動後は入力電圧が 0.35 V に低下するまで連続動作が可能

• 2 ～ 5.5 V の出力電圧レンジ

• PWM/PFM モードの動作を自動選択 (MCP1640/C)

• 低静止電流 : PFM モードで 19 µA (typ.)

• 1 µA 未満のシャットダウン電流

• 同期整流スイッチを内蔵

• 補償回路を内蔵

• 低ノイズのアンチリンギング制御

• 突入電流制限機能とソフトスタート

ピーク電流制限値は 800 mA (typ.) です。1.2 V を入力して 3.3 V を出力する場合は 100 mA を超える負荷電流、3.3 V を入力して 5.0 V を出力する場合は 350 mAを超える負荷電流を供給できます。

MCP1640 には 4 種類のデバイスがあり、個々のシステム要件に合わせて最適なデバイスを選択して頂けます。表 1 に、各デバイスの機能の一覧を示します。

表 1: 製品番号の選択

著者 : Valentin C. ConstantinMicrochip Technology Inc.

製品番号PWM/PFM

PWM 完全出力切断

入力 / 出力バイパス

MCP1640 X - X -

MCP1640B - X X -

MCP1640C X - X

MCP1640D - X - X

2013 Microchip Technology Inc. DS01337A_JP - p.1

AN1337

PWM/PFMモードとPWMのみのモード選択

MCP1640/B/C/D シリーズの動作モードには 2 つのタイプがあります。

• MCP1640 と MCP1640C は、パルス幅変調 (PWM、連続および不連続 ) モードとパルス周波数変調 (PFM)モードを切り換えて動作します。

• MCP1640B と MCP1640D は PWM モードでのみ動作します。

出力電流があらかじめ決められたしきい値を下回ると、PFM モードに切り換わります。PFM モードでは、大きなピーク電流を使って出力をしきい値レベルまで引き上げます。出力電圧が最大値に達するとパルスのスイッチングが停止し、デバイスは低静止電流モードに移行し電源 ( バッテリ ) からの消費電流を最小限に抑えます。低負荷時には PWM モードから PFM モードへ自動的に切り換わり、幅広い出力電流レンジで最大限の効率を実現します。PFM モードには 1 つの短所があります。それは、出力電圧リップルが大きいという点です。PFM モードで動作中、出力電圧は約 50 mVまで上昇します。PFM モードから PWM モードへ切り換わるしきい値電流は、入力電圧によって異なります( 図 1 参照 )。

図 1: PFMモードからPWMモードへ切り換わる出力電流のしきい値と入力電圧の関係

図 2 に、PFM モードと PWM モードの出力電圧の違いを示します。1.2 V を入力して 3.3 V を出力する場合、PWM モードの場合と PFM モードの場合では出力電圧に約 50 mV の差があります。負荷ステップは 25 mA から 1 mA です。図 1 から分かるように、PWM モードから PFM モードへ切り換わるしきい値は約 6 mA です。

MCP1640B/Dは500 kHzの固定スイッチング周波数で動作し、PWM/PFM モードに対応した MCP1640/C よりも出力リップル電圧を抑えています。MCP1640B/Dは、低負荷時でもデューティサイクルを最小の100 ns(typ.)にして一定の周波数でスイッチングを継続します。さらに低負荷になると ( 数 mA 未満 )、MCP1640B/D はパルスのスキップを開始します。

図 2: PWM モードと PFM モードの評価 – 25 mA から 1 mA への負荷ステップ

図 3 に、PFM/PWM モードと PWM のみのモードの効率を示します。この図を見ると、低負荷時に PFM モードに移行しないと効率が大きく低下する事が分かります。

図 3: 負荷電流に対する効率 (VOUT = 3.3 V)

以上をまとめると、出力リップルがさほど重要ではなく、一方で ( 特に低負荷時 ) 効率が重要である場合、また特にバッテリ駆動のシステムでは MCP1640/C を強く推奨します。これらのデバイスを使うと、携帯機器のバッテリ寿命を延ばす事ができます。

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6

VIN (V)

PF

M/P

WM

I OU

T T

hre

sho

ld

(mA

)

VOUT = 2.0VVOUT = 3.3V

VOUT = 5.0V

0102030405060708090

100

0.01 0.1 1 10 100 1000

IOUT (mA)

Eff

icie

nc

y @

VO

UT =

3.3

V (

%)

VIN = 0.8VVIN = 1.2V

VIN = 2.5V

PWM / PFM

PWM ONLY

DS01337A_JP - p.2 2013 Microchip Technology Inc.

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完全出力切断と入力 / 出力バイパスの選択

MCP1640 ファミリを使って設計を始める際は、まずシャットダウン状態を選択する必要があります。このファミリのデバイスには、シャットダウン時に出力を入力から完全に切断するものと、入力を出力へバイパスするものがあります。EN ピンを Low にするとデバイスはシャットダウンモードになります。

MCP1640とMCP1640Bは完全出力切断機能に対応しています。これは、内蔵の整流用 P チャンネルスイッチ( 図 4) を OFF にした時、もう 1 つの P チャンネルトランジスタを OFF にする事により、バルクダイオード接続を制御しているダイオードも同時にOFFにする事で、出力を入力から切断する機能です。このモードでは、入力 ( バッテリ ) から消費される電流は 1 µA 未満です。

図 4: MCP1640 昇圧型コンバータの電流経路( 概略図 )

完全出力切断タイプの場合、外付けコンデンサ COUTは放電しないため、出力電圧はこのコンデンサによって保持されます。

MCP1640C と MCP1640D は、入力バイパスシャットダウンタイプです。これらのデバイスをシャットダウンすると、出力は内蔵の P チャンネル MOSFET 経由で入力に接続されます。このモードでも、入力から消費される電流は 1 µA 未満です。シャットダウン中は、外付けの抵抗分圧器による消費電流も加わります。シャットダウン中、帰還抵抗を切断すると帰還 (FB) 電流分の損失を防ぐ事ができます。シャットダウンモード中は、レギュレートした帰還ループは使いません。バイアス電流を抑えるため、帰還電圧検出ネットワークには値の大きい抵抗 (数百 k程度 )を使う事を推奨します。これによる周波数応答への影響はありません。

入力 / 出力バイパスモードは、入力電圧と要求出力電圧がほぼ等しく、その入力電圧のままスリープまたは低静止電流モードで負荷が動作できる場合に使います。レギュレートした出力電圧が必要な場合、シャットダウン制御によって昇圧型コンバータを有効にします。

L

CIN

VOUT

ROUT COUT NSW

PSWVIN Rectifier Control

Switch Control

SW

D

Shutdown Control


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MCP1640 を使った応用回路

ここでは、MCP1640 を使う場合の実用面と考慮事項について説明します。図 5 に、負荷電流 100 mA で出力電圧 3.3 V の応用回路図の例を示します。

図 5: 負荷電流 100 mA、出力電圧 3.3 V の応用回路図

最大出力電流と電圧レンジ

MCP1640 コンバータは入力電圧 0.65 V で起動し、0.35 V に低下するまで動作を継続します。最大出力電圧は 5.5 V で、最小出力電圧は 2.0 V です ( ただしVIN < VOUT)。アルカリ電池で動作するアプリケーションでは、セルの破裂を防ぐため 0.6 ～ 0.7 V でバッテリ放電を終了する事を推奨します。二次電池の場合、電池メーカーが推奨するカットオフ電圧に従ってください。

MCP1640は2.0 V未満の出力電圧でも動作できますが、その場合いくつかの制約があります。VOUT = 1.8 V のアプリケーションに関する詳細は、AN1311 [2] を参照してください。

デバイスの最大出力電流は入力および出力電圧で決まります。例えば VOUT = 3.3 V で 100 mA の負荷電流を確保するには、最低でも 0.9 V の入力電圧 (VIN) が必要です。リチウムイオンバッテリ 1 個 (VIN = 3.0 ～ 4.2 V)でアプリケーションを動作させる場合、MCP1640 は最大 300 mA の負荷電流を供給できます。

図 6: 入力電圧に対する最大出力電流

図 7 に、MCP1640/C (PWM/PFM) と MCP1640B/D(PWM のみ ) の場合の無負荷時入力電流を示します。このパラメータは入力電圧により決まり、PWM/PFMモードの方がはるかに小さい値をとります。EN ピンを Low にすると、入力源から消費される電流は 1 µA未満です ( シャットダウンモード )。これにより、バッテリ寿命を延長する事ができます。

図 7: 入力電圧に対する無負荷時入力電流

VIN

GND

VFB

SWVIN

0.9V to 1.7V

VOUT3.3V @ 100 mA

COUT10 µF

CIN

4.7 to 10 µF

L14.7 µH

VOUT

+

-309kA

lka

line EN

RT

RB

536k

0

100

200

300

400

500

600

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

VIN (V)

I OU

T (

mA

)

VOUT = 3.3V

VOUT = 2.0V

VOUT = 5.0V

10

100

1000

10000

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6

VIN (V)

I IN (

µA

)

PWM / PFM

PWM ONLY

VOUT=3.3V


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部品の選択 – 入出力コンデンサ、昇圧インダクタ、帰還抵抗

ここでは、MCP1640 と組み合わせて使う推奨部品について説明します。

通常は、4.7 µF の入力コンデンサを使います。本デバイスを入力源 ( バッテリ ) から離して配置する場合、これよりも値の大きい入力コンデンサを使えます。出力電流の大きいバッテリ駆動アプリケーションでは、10 µF の入力コンデンサを推奨します。出力電流の小さいアプリケーションでPWMモードのみ (MCP1640B/D)のデバイスを使う場合、これより小さい値の入力コンデンサが使えます。図 8、図 9、図 10 は、MCP1640Bと 0.1 µF の入力コンデンサを使った場合の動作を、負荷電流を変えて ( 無負荷、5 mA、15 mA) 観察したものです。入力リップルが大きくてもシステムは安定動作しています。デューティサイクルの低い (ON 時間の短い ) アプリケーションなら、この低コストソリューションが使えます。

図 8: MCP1640B と 0.1 µF の入力コンデンサ使用時の動作 ( 無負荷、VIN = 1.2 V)

図 9: MCP1640B と 0.1 µF の入力コンデンサ使用時の動作 (IOUT = 5 mA)

図 10: MCP1640B と 0.1 µF の入力コンデンサ使用時の動作 (IOUT = 15 mA)

出力コンデンサは、ほとんどのアプリケーションで10 µF を推奨します。出力コンデンサに 4.7 µF のセラミックコンデンサを使えばシステムが不安定になるのを防ぐ事ができますが、いくつかの制約が生じます。出力コンデンサの値を小さくすると、出力電圧リップルにも影響します。AN1311 [2] では、4.7 µF の出力コンデンサを使った場合のシステム安定性と、MCP1640と組み合わせる昇圧インダクタと出力コンデンサの制約について詳しく説明しています。

昇圧型コンバータの効率は、入出力電圧と負荷電流により決まります。損失の大半は内部スイッチの抵抗によるものです。入出力電圧の低いアプリケーションの方が、入出力電圧の高いアプリケーションより効率は低下します。昇圧インダクタの抵抗も効率に影響します。インダクタのサイズが大きいほど抵抗は小さく、効率が向上します。つまりサイズ、コスト、性能がトレードオフの関係にあります。インダクタは回路設計における重要な要因です。


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図 11 に、2 種類のインダクタを使った場合のサイズとRDC ( インダクタの DC 直列抵抗 ) の影響を示します。

• 4.7 µH、RDC = 0.04 、ISAT = 1.8 A、6x6x3 mm

• 4.7 µH、RDC = 0.256 、ISAT = 0.7 A、3x3x1 mm

インダクタの RDC が小さいほど高効率です。

図 11: RDCと ISATの2種類のインダクタの出力電流に対する効率 (VOUT = 3.3 V)

昇圧インダクタは 2.2 ～ 10 µH の値が可能です。インダクタのサイズ、コンバータの負荷過渡応答、ノイズを考慮すると、4.7 µH のインダクタが最もバランスに優れています。MCP1640 のデータシート [1] では、使用可能ないくつかのインダクタについて説明しています (データシートのセクション 5 参照 )。アプリケーションノート AN1311 [2] でも、4.7 µH 以外の値のインダクタを使ういくつかの条件を説明しています。昇圧型コンバータの場合、インダクタ電流が出力電流よりもはるかに大きくなる事がある点に注意が必要です。インダクタ電流を選択する際は、飽和電流のパラメータがピーク入力電流より大きいものを選んでください。飽和電流とは、一般にインダクタンスが定格値からある一定の割合低下する点の電流をいいます。この割合は、10 ～ 40% の間です。インダクタンスが低下すると、インダクタのリップル電流が増大します。電流ピーク制限値に達しないよう注意します。

出力コンデンサが影響を与えるのは出力電圧リップルだけではありません。効率もコンデンサの ESR ( 等価直列抵抗 ) による影響を受けます。抵抗による損失は、選択したコンデンサの種類 ( セラミック、アルミ、タンタル誘電体 ) により決まります。最良なのは、DC 等価抵抗 (ESR) が小さい (10 m未満 ) セラミックコンデンサです。アルミコンデンサには数の抵抗があります。図 12 に、出力コンデンサの種類によって効率と最大出力電流がどのように変化するかをグラフで示します (VOUT = 3.3 V、VIN = 1.2 V の場合 )。

ESR の大きいコンデンサを使うと、効率が低下します。10 µF のセラミック出力コンデンサを使った場合、MCP1640 は 3.3 V 出力、1.2 V 入力時に最大 150 mAを出力します。このセラミックコンデンサを 10 µF のアルミコンデンサで置き換えると、MCP1640 が出力できる最大電流は約 65 mA となります。図 12 には、10 µF セラミックコンデンサと同等の効率を実現する15 µF の低 ESR タンタルコンデンサも示しています。

図 12: 出力コンデンサの種類別に見た出力電流に対する効率 (VOUT = 3.3 V)

VIN=1.2V

20

30

40

50

60

70

80

90

0.01 0.1 1 10 100 1000

IOUT (mA)

Eff

icie

nc

y (%

)

VIN=0.8V

VOUT=3.3V

_____ 4.7uH, RDC=0.04 , ISAT=1.8A, 6x6x3mm Inductor

- - - - 4.7uH, RDC=0.265 , ISAT=0.7A, 3x3x1mm

VIN=1.2VVOUT=3.3V

30

40

50

60

70

80

90

0.1 1 10 100 1000IOUT (mA)

Eff

icie

ncy

(%

)

____ 10 µF, 35V, SMD, Aluminium Electrolytic Capacitor, low ESR____ 10 µF, 16V, THT, Tantalum Capacitor____ 10 µF, 10V, Ceramic Capacitor, X7R, 0805____ 15 µF, 10V, SMD, Tantalum Capacitor, A type


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前述の通り、MCP1640 の出力電圧レンジは 2.0 ～ 5.5 Vです。出力電圧は、帰還電圧の関数として決まります。帰還電圧は、抵抗 RTOP と RBOT から求めます ( 図 13参照 )。これらの抵抗の値は、図 13 に示した値より高い値が使えます。抵抗値が高い場合、環境中の不純物によって PCB 上にリーク経路が生じる可能性があります。これは、帰還電圧と出力電圧レギュレーションに影響します。1 Mより高い値の抵抗を使う場合、注意が必要です。通常の湿度条件では FB 入力リークは非常に少なく、抵抗値がシステムの安定性に影響する事はありません。内蔵のエラーアンプはトランスコンダクタンスタイプで、ゲインは抵抗値に関係しません。抵抗値は次式で求めます。

式 1: 図 13: 出力電圧 5.0 V の場合の帰還抵抗分圧器の値

図 14: SOT23 パッケージの MCP1640/B/C/D でスイッチを用いて 2 つの抵抗 RTOP を並列に接続し、2 つの出力電圧 (2.0 V と 3.3 V) を切り換え

RTOP RBOTVOUT

VFB------------- 1– =

MCP1640 の VFB 電圧は 1.21 V

5.0V

RTOP976k

RBOT309k

1.21V

VOUT

VFB

EN Switch

VIN

GND

P1

C110 µF

P1 S1 P1

L1 4u7

1

23

6

54

SW

GND

EN

VINVOUT

FB

U1MCP1640/B/C/D

P1

VOUT

GND

RT

OP

1

536

k

RT

OP

2

324

k

VOUT SEL

S1 P1

RBOT

309k

C210 µF

2.0V

3.3V


AN1337

例えば VOUT = 3.3 V の場合、昇圧型アプリケーションの抵抗値は以下の通りです。

RTOP = 536 kおよび RBOT = 309 k

または

RTOP = 6.8 Mおよび RBOT = 3.9 M

ジャンパまたはミニスイッチを使って複数の出力電圧を手動で切り換える設計が可能です。昇圧型コンバータでは、動作中にジャンパを使って帰還抵抗を取り除く事は避けてください。帰還ループを開くと出力電圧が MCP1640 の絶対最大定格を超え、デバイスが損傷します。この問題を防ぐには、図 14 (2.0 V と 3.3 V の出力電圧を切り換える回路の例 ) に示したように抵抗とスイッチを並列に接続します。スイッチ VOUT SELを開くと RTOP1 のみが接続されるため、出力は 3.3 Vです。スイッチを閉じると、RTOP1 と RTOP2 が並列に接続され ( 等価抵抗は約 202 k)、出力は 2.0 V です。

RTOP2 は、VOUT1 = 3.3 V の抵抗値と VOUT2 = 2.0 V の等価抵抗 (REQ) を用いて求めます。

式 2:

式 3:

RBOT を選択して REQ を求めたら、次式で RTOP2 を求めます。

式 4:

バッテリ寿命を延ばすためのヒント

MCP1640 は、バッテリ寿命を延ばす事を目的に開発されました。低入力電圧動作、PFM/PWM モード、最高 96% の効率、低静止電流、シャットダウン時の完全出力切断または入力 / 出力バイパス機能を始め、バッテリ寿命を延ばすための機能を数多く備えています。

バッテリ寿命の見積もり方法

一次電池の容量 ( 単位 : mAh) は、ある特定の放電レートとカットオフ電圧におけるバッテリ寿命を表したものです。アルカリ電池には、一定の放電電流とカットオフ電圧に対する放電曲線 ( 寿命に対するバッテリ電圧のグラフ ) が用意されています。この曲線を用いて、放電電流 (mA) と要求カットオフ電圧に達する時間 (h)を掛け合わせると、利用可能な容量を求める事ができます。図 15 は、室温における代表的な単 3 形 /LR6 アルカリ電池の 100 mA 定電流放電曲線を電池メーカーのデータシートから転載したものです。例えばこのバッテリの容量は、100 mA の放電電流と 0.8 V のカットオフ電圧の場合、100 mA x 25 h = 2500 mAh です。このバッテリを、100 mA の放電電流と 1.2 V のカットオフ電圧で使った場合、容量は100 mA x 15 h = 1500 mAhです。

図 15: 代表的な単 3 形 /LR6 アルカリ電池の放電曲線 ( 放電電流 100 mA、カットオフ電圧 0.8 V)

RTOP1 RBOTVOUT1

VFB--------------- 1– =

RBOT はユーザが選択した値

REQ RBOTVOUT2

VFB--------------- 1– =

REQ = RTOP1 II RTOP2

RTOP2RTOP1 REQ RTOP1 REQ–

------------------------------------=

100 mA Constant Current Discharge @ 21°C

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 5 10 15 20 25

Discharge Time (h)

Bat

tery

Vol

tage

(V)


AN1337

以上をまとめると、アルカリ電池の寿命は放電電流とカットオフ電圧により決まります。図 17 に示すように、一次電池は放電電流が少ないほど高効率です。カットオフ電圧はバッテリの寿命に影響します。一般に、バッテリの出力電圧が0.8 Vになるまで放電が進むと、バッテリ容量の約 95% を使い切っています。

図 16: 単 3 形 /LR6 アルカリ電池の代表的な定電流放電特性 (21 oC、異なるカットオフ電圧で比較 )

図 17: 放電電流に対するバッテリ容量(21 oC、カットオフ電圧 0.8 V)

負荷が持続的な定電流を必要とせず、アプリケーションを ON/OFF して断続的に電流を流すような場合、ON時間がバッテリの寿命に影響します。バッテリ寿命がどれだけ増えるかは、負荷電流と負荷の ON/OFF 時間により決まります。この場合、簡単な計算式でバッテリ寿命を求める事はできません。

昇圧型コンバータを一定の出力電流で動作させた場合は出力電力も一定です。従って、入力電流を求めるにはシステムの効率を考慮する必要があります(MCP1640は高効率 )。バッテリ電圧が低下すると消費電流が増えるため、効率が高ければ低消費電力アプリケーションにおける入力電力は擬似定数と考える事ができます。このようなアプリケーションでは、平均消費電力を考慮すると図 16 に示した曲線からある程度バッテリ寿命を推定できます。

二次電池の場合、バッテリ寿命の大まかな目安を求める方法として、1897 年にドイツの科学者 W. Peukertによって証明されたポイカートの法則があります。これは、鉛電池の容量とバッテリの放電レートを次の関係式で表したものです。

式 5:

鉛電池の場合、k の値は通常 1.1 ～ 1.3 です。しかし理想的なバッテリでは、定数 k は 1 です。この場合、実際の容量は放電電流とは関係ありません。

図 18: 1800 mAh の NiMH バッテリの代表的な放電時間に対するバッテリ電圧( 異なる放電レートで比較 )

1

10

100

1000

1 10 100 1000

Discharge Current (mA)

Se

rvic

e T

ime

(h)

cutoff 0.8V

cutoff 1.0V

cutoff 1.1V

AA/LR6 Alkaline Battery

at 21oC and 0.8V cutoff

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

25 100 250 500

Discharge Rate (mA)

Bat

tery

Ca

pac

ity

(mA

h)

t C

Ik----=

t = 放電時間 (h)

C = 電池容量 (Ah)

I = 放電電流 (A)

k = ポイカート指数

Charge to 180mA x 16h @ 21oC; Discharge with:900 mA (0.5C), 360 mA (0.2C) and 180 mA (0.1C)

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

0 2 4 6 8 10 12

Discharge Time (h)

Ba

tter

y V

olt

age

(V

)

0.5C 0.2C 0.1C


AN1337

この方法を使うと、充電池の寿命を簡単に見積もる事ができます。図 18 に、1800 mAh NiMH 電池の代表放電曲線を示します。バッテリ寿命は、充電電流、放電電流、カットオフ電圧により決まります。カットオフ電圧が 0.9 V の場合、おおよその寿命は次式で求める事ができます。

式 6:

式 7:

バッテリ寿命は、バッテリの状態 ( 充放電サイクル数または充電アルゴリズム、周囲温度 ) に応じて計算で求めた値よりも短い期間です。

バッテリの種類にかかわらず、昇圧型 DC/DC アプリケーションを動作させる場合、入力シャットダウン電圧と起動電圧が低い昇圧デバイスを選ぶ事が重要です(MCP1640 の場合、入力電圧が 0.35 V に低下するまで動作を継続 )。

MCP1640 を使ってバッテリ寿命を延ばすためのヒントとコツ

MCP1640 には、バッテリ寿命を延ばす主な機能として以下のものがあります。

• 最高 96% の効率

• 低負荷時に PFM モードで動作 ( 図 3、図 7 参照 )。

• 0.65 V (typ.) の低入力起動電圧 (1 mA 負荷時 )

• 低シャットダウン電圧 (MCP1640/B/C/D は電圧が0.35 V に低下するまで動作を継続 )

• EN ピン = Low による完全出力切断、P チャンネルMOS バルクダイオードを非導通にする事により入力から出力へのリーク電流を防止 ( このモードでのバッテリからの消費電流は 1 µA 未満 )

• 19 µA の静止電流

消費電流数 mA のアルカリ電池等、一次電池で動作するアプリケーションの場合、MCP1640 はバッテリを完全に放電するのに必要な最小入力電圧で動作できます。図 19 に示したように、MCP1640 は 1 mA の負荷電流時に最小 0.65 V の入力電圧で起動し、入力電圧が0.35 Vに低下するまで出力電圧のレギュレーションを継続できます。カットオフ電圧 (0.8 V) 未満でのバッテリの寿命を見積もるには、MCP1640 の最小動作電圧を知っておく事が重要です。

図 19: 起動時とシャットダウン時の IOUT に対する抵抗性負荷への最小 VIN

t 1800mAh900mA

------------------------ 2h= =

放電レート 0.5 C の場合

t 1800mAh360mA

------------------------ 5h= =

放電レート 0.2 C の場合

0.25

0.40

0.55

0.70

0.85

1.00

0 20 40 60 80 100

IOUT (mA)

VIN

(V

)

Startup

Shutdown

VOUT = 3.3V

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 10 20 30 40 50 60

IOUT (mA)

VIN

(V

)

VOUT = 5.0V

Startup

Shutdown


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設計上の制限 ( サイズやコスト等 ) と負荷要件によりますが、バッテリ寿命を延長するためのヒントをいくつか以下に示します。

• DC 直列抵抗の小さいインダクタを選択する( 図 11 参照 )

• 入出力コンデンサには、DC 直列抵抗の小さいセラミックコンデンサを選択する

• 出力コンデンサの値を 100 µF まで大きくする( 図 12 参照 )

• 入力コンデンサの値を大きくして入力電圧リップルとソースインピーダンスを抑える

• 帰還抵抗の値を M程度まで高くする

• EN ピンをパルスしてデバイスを ON/OFF し、出力リップル電圧の増大と引き換えに平均入力電流を低減する。マイクロコントローラを使ったアプリケーションでは、この方法で無負荷時のスタンバイ電流を抑える事が可能

帰還抵抗の値を高くする

VOUT と GND を接続し、FB ピンにバイアスを与える帰還抵抗ネットワーク ( 図 13 と図 14 の RTOP、RBOT)は、値を高くできます。抵抗値を高くしても MCP1640の安定性には影響しません。環境条件が許せば ( すなわち過剰な湿度がなければ )、M程度の抵抗を使っても安定性には影響しません。

図 20: 3.3 V 出力時の帰還抵抗の値を高くする

スルーホール実装 (THT) タイプの抵抗を使うと、環境中の不純物に起因する問題の発生を防ぐ事ができます。小型パッケージで抵抗値が Mの 0805 および 0603 表面実装型チップ抵抗を使うと PCB 上にリーク電流経路が生じ、VFB 電圧が変化する事があります。THT 抵抗を用いた実験では、例えば RTOP = 6.8 M、RBOT = 3.9 Mの条件で良好な結果が得られています。

スリープ時間が長い場合は入力 /出力バイパスのデバイス (MCP1640C/D) を使う

EN ピンを Low にすると、MCP1640C と MCP1640Dは入力 /出力バイパスシャットダウンモードに移行します。シャットダウン中、内蔵の P チャンネル MOSトランジスタが ON になり、入力電圧は P チャンネルを経由して出力にバイパスされます。これにより、通常動作時は昇圧が必要だけれどスリープ中はバッテリから直接動作するアプリケーションで静止電流を減らす事ができます。シャットダウンモードでは、MCP1640C/Dがバッテリから消費する電流は 1 µA 未満です。この消費電流の一部は帰還抵抗によるものです。

MCP1640C/D のシャットダウン中に帰還抵抗を無効にする

RTOP と RBOT の値、および VOUT によっては、帰還ネットワークの消費電流が数µAに達する事があります。これは、MCP1640 のシャットダウンモード時の消費電流を上回ります。図 13 で 2 つのバッテリを直列に接続した場合 (VIN = 2.4 V、typ.)、EN ピンを Low にした時に帰還抵抗が消費する電流のおおよその値は式 8 で求める事ができます。

式 8:

RTOP と RBOT の値をそれぞれ 6.8 Mと 3.9 Mにすると、次式に示すように消費電流は小さくなります。

式 9:

3.3V

RTOP

(536k)

RBOT

(309k)

1.21V

VOUT

VFB

6M8

3M9

I 2.4V 976k 309k+

----------------------------------- 1.87A= =

Note: インダクタまたは P チャンネルにかかる電圧は考慮していません。

I 2.4V 6.8M 3.9M+

----------------------------------------------- 0.23A= =


AN1337

1 つの解決策として、シャットダウン中は N チャンネル MOSFET を用いて帰還抵抗を取り除き、帰還抵抗分圧器の電流経路をなくすという方法が考えられます( 図 21 参照 )。トランジスタのゲートは EN ピンで制御します。EN が High で MCP1640C/D が昇圧モードで動作している間、N チャンネル FET は ON になり、帰還ネットワークは閉じています。EN ピンを Low にする

とトランジスタが OFF になり、帰還電流経路が取り除かれます。N チャンネルは低 VGSth のものを使う事を推奨します。ゲートしきい値が 2 V 未満の FDN337N を使うと良いでしょう。帰還抵抗分圧器に FDN337N を使うと、MCP1640C の入力 / 出力バイパス機能によってスタンバイモード時の入力電流は 0.75 µA まで減少します。

図 21: 入力 / 出力バイパス機能に対応した MCP1640C で、EN = Low 時に帰還抵抗を除去

Drive EN pinfrom I/O PIC

VIN

Switch

FDN337N

RBOT

RTOP

VFB

VIN VIN VOUT

EN

MC

P16

40C

FB

VOUT

FDN337N

RBOT309k

RTOP976k

uC PICI/O

VDD

VIN VOUT

EN

MC

P16

40C

FB

VOUT

VFB

309k

976k

MCU pin®


AN1337

マイクロコントローラを使ったアプリケーションにおけるスタンバイ ( 無負荷時 )入力電流の低減

1個のアルカリまたはNiCd/NiMHバッテリ (VIN = 1.2 V)で動作し、スタンバイモードの時間が長いアプリケーション ( リモコンや懐中電灯等 ) の場合、マイクロコントローラの動作には 2 V 以上の電圧が必要なため

図 21 に示したブロック図を適用できません。スリープ中は、マイクロコントローラの消費電流は数 µA 程度とごくわずかです。図7と同様の代表的なアプリケーションで計測した入力電流は、40～100 µAです。MCP1640を PFM モードで動作させ、シャットダウン時に完全出力切断とすると、マイクロコントローラがスリープ中に消費する電流を抑える事ができます。

図 22: PIC® マイクロコントローラを接続した MCP1640C の代表的なアプリケーションにおけるスタンバイ ( 無負荷時 ) 電流の低減

COUT

Load

1.2V

ON/OFF

6 1

3

5

GP1

4

VDD

GP3CIN+

NDS7002

VIN VOUT

EN

MCP1640FB

RT1M3

RM240k

COUT10 µF

Load Switch

VOUT

RB510k 10 µF

1.2V

ON/OFF

COUT

6 1

3

5

GP1

4

VDD

GP3CIN+

NDS7002

R11M

10 µFR11M

CIN

VIN VOUT

EN

MCP1640FB

RT1M3

RM240k

10 µF RLOAD

Switch

RB510k

PIC10F206SOT23-6

PIC10F206SOT23-6

CINCOUT


AN1337

スリープ中または低負荷のアプリケーションでは、平均入力電流を抑えるために MCP1640 のイネーブル入力は低速でパルスされます。EN ピンの駆動周波数は、MCP1640 の出力コンデンサの値とマイクロコントローラのスリープ電流により決まります。マイクロコ

ントローラは、復帰すると短時間だけMCP1640をONにして出力電圧を引き上げるとすぐにスリープに戻ります。出力コンデンサの電圧を 3.3 V まで充電するのに必要な時間は、10 µA未満の負荷の場合 750 ns (typ.)です。

図 23: EN ピンのスイッチング手法の実験結果 : 出力電圧と駆動信号 ( 左 ) と短いパルス入力電流 ( 右 ) ( 図 22、図 25 も参照 )

MCP1640/C の出力電圧レベルと MCP1640 のイネーブル / ディセーブルを切り換える EN 信号の周波数を決定するには、ハードウェアを使う方法とソフトウェアを使う方法があります。

図 22 に、部品点数を削減した低コストのアプリケーション例を 2 つ示します。これらはどちらも、負荷を切断したスタンバイ状態での入力電流を低減するという最大の目的を PIC10F206 を使って実現します。MCP1640 のシャットダウンモード時の消費電流は0.75 µA (typ.) ですが、アナログコンパレータを有効にした PIC10F206 の消費電流は 100 µA を超えます。この電流を低減するため、マイクロコントローラはほとんどの時間をスリープで動作します。マイクロコントローラ内蔵のタイマを使ってコンパレータを周期的に有効にして、MCP1640 の出力電圧を確認します。図 22 の回路図で、PIC10F206 の消費電流は、EN 信号が High である期間は約 10 µA で、スリープ中は約2 µA です。

受動部品での電力損失を防ぐため、この回路ではMCP1640の帰還ネットワークをPIC MCUのコンパレータへの入力 (CIN+ コンパレータ入力 ) として使います。インバータ入力CIN- はPIC MCU内蔵の 0.6 V参照電圧に接続しています。コンパレータのしきい値電圧は約2.3 V です。デューティサイクルの ON 時間は 1% 未満で、EN 信号の周波数は約 0.5 Hz です ( 図 23 参照 )。マイクロコントローラは周期的に MCP1640 を有効にして 2.0 V 以上のバイアスを維持します。図 24 に示すように、無負荷時の入力電流は 90 µA から 11 µA まで約87% 低下しています。プッシュボタンを使って復帰すると EN 信号が常時 High になり、マイクロコントローラはレギュレートした 3.3 V で動作します。

図 24: EN ピンをスイッチングする方法により無負荷時電流を 87% 低減

PIC10F206の電源はMCP1640の出力から供給しているため、このアプリケーションは EN ピンが High の状態から開始し短時間動作します。EN ピンの駆動にはN チャンネル MOS トランジスタを使います。

1

10

100

1000

0.8 1 1.2 1.4 1.6

No

Load

Cur

rent

(uA

)

Input Voltage (V)

VOUT = 3.3V, EN=1

VOUT = 3.4...2.3V, EN Switched


AN1337

図 25: MCP1640 と PIC10F206 を使ってスタンバイ電流を低減した回路の例

補遺 A:「サンプルソースコード」に、図 25 に示した回路で使う MPLAB® IDE と HI-TECH C コンパイラ用のソースコードを掲載しています。このコードは、簡単な変更だけで他のPICマイクロコントローラに移植できます。PIC MCU はウォッチドッグタイマで周期的に復帰させます。PIC MCU 内蔵のコンパレータを短時間有効にして MCP1640 の出力電圧レベルを確認します。VOUT が抵抗 R2、R3、R4 によって固定されたしきい値電圧の 2.3 V を下回ると、短い Low レベルの信号によって NDS7002 トランジスタのゲートが Lowに駆動され、MCP1640 が有効になります。出力コンデンサは、2 秒以上にわたって 2.3 V を上回る出力を維持します。

この方法は、PIC MCU のスリープ時間が長い全てのアプリケーションで使えます。この方法を使うと、バッテリ寿命を最大 10 倍に延長できます。

1.5V

R11M

C110 µF

NDS7002AQ1

VO

UT

R5220

VPP

S1

C51µ

VOUT

L1

4µ7

123

SW

GNDEN

VIN

VOUTFB

654

MCP1640U1

GP2/TOCKI/

VDD

GP3/MCLR/VP

4

5

6

GP1/ICSPCLKCOUT/FOSC4 /CIN-

VSS

GP1/ICSPDAT/CIN+

R3240k

R21M3 C2

10 µF

PIC10F206

PGD

PGC3

2

1

VOUT

LEDLoad

R0120

Q2FDN337

VOUT

PGDPGC

VPP 12345

J3

R4510k

ICD2 Interface

12345


AN1337

まとめ

バッテリで動作する低電圧の昇圧型アプリケーションでは、MCP1640 の柔軟な機能を使ってバッテリ寿命を延ばす事ができます。MCP1640 はマイクロコントローラと容易に接続でき、しかも単セルバッテリのアプリケーションより消費電流 (µA) が少ないため、スタンバイモードの時間が長いアプリケーションで使えます。低動作電圧に対応した MCP1640 ファミリを使う事で、バッテリ寿命を延ばす事ができます。

参考文献

[1] MCP1640/B/C/D データシート『0.65 V 起動、同期整流昇圧型レギュレータ ( 完全出力切断または入力 / 出力バイパスオプション )』(DS22234)

[2] AN1311『単セル入力昇圧型コンバータの設計』(DS01311)

[3] 『Alkaline Manganese Dioxide – Handbook andApplication Manual』(Energizer Battery Manufacturing Inc.)

[4] Energizer E91 製品データシート(Energizer Holdings, Inc.)

[5] 『Alkaline Manganese Dioxide Battery, MN1500_US_CT, AA (LR6), Zn/MnO2 battery Product Data Sheet』(Duracell®)

[6] GP180AAH 製品データシート (GP Batteries)


AN1337

ソフトウェアライセンス使用許諾

ここに提供するマイクロチップ・テクノロジー社 ( 以下、弊社といいます ) のソフトウェアは、弊社のお客様に対して、弊社製品に限定して併用する事を目的に提供するものです。

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し必ずしもこれらに限定されない ) 明示、暗示、法的な保証は一切いたしません。弊社は、本書の情報とその使用に起因する一切

の損害について、いかなる状況においても責任を負わないものとします。

補遺 A: サンプルソースコード//---------------------------------------------------------------------------

// This software example is the property of Microchip Technology Incorporated

// Program: MCP1640EV-LSBC.c

// Author: Sergiu Oprea & Valentin C. Constantin (Microchip)

//

// PIC Processor: PIC10F206

// Description:

// Demonstrated reducing no load current for MCP1640

// in PIC attach application using HI-TECH C compiler

//

// Modifications: -

//

//---------------------------------------------------------------------------

#include <htc.h>

__CONFIG (WDTEN & MCLRDIS & UNPROTECT); // start with GP3 as input pin & WDT enabled

//---------------------------------------------------------------------------

// Section: Processor I/O Definitions

//---------------------------------------------------------------------------

#define EN GP2 //DRIVE MCP1640 EN PIN FROM GP2 WITH INVERTED SIGNAL

#define LED GP1 //DRIVE LED LOAD FROM GP1

#define button GP3 //INPUT BUTTON ON PORT GP3

//---------------------------------------------------------------------------

// Section: COMPARATOR SETUP

//---------------------------------------------------------------------------

#define COMP_SETUP_1 0b01111011; //comparator enabled

#define COMP_SETUP_2 0b01110011; //comparator disabled

//---------------------------------------------------------------------------

// Section: WORKING VARIABILE


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//---------------------------------------------------------------------------

unsigned char temp = 0x00;

bit button_state; // STAE OF PUSH-BUTTON

bit LED_STATE; // STAE OF LOAD-LED

//---------------------------------------------------------------------------

// Code Segment

//---------------------------------------------------------------------------

/****************************************************************************

Function:

void main (void)

Summary:

Main program entry point.

Description:

Main program entry point. The system will initialize the PIC processor

and peripherals and then loop forever while monitoring the MCP1640 state.

Returns:

None

**************************************************************************/

void main(void)

{

OPTION = 0b11011011; //GP2 is set as output

TRIS = 0b11111001; //GP2, GP1 direction is output

CMCON0 = COMP_SETUP_2; //Comparator is disabled

if((STATUS & 0xF8) == 0x18) //Power On Reset?

{

EN = 0; //On Power On Reset starts MCP1640 switching

}

LED = 0; //Turn-off the load - LED

button_state = 0;//if push-button hold-on set the button state to low,

temp = 0;

LED_STATE = 0; //and LED state to low

/* main forever loop */

while(1)

{

if(!button) //if push-button is pressed,

{

CLRWDT();

temp++; //wait

if(temp == 20)

{


AN1337

temp = 0;

if(!button_state) //and button state is low,

{

if(LED==0) //and LED off

{

EN = 0; //turn ON the MCP1640 output,

for(temp=0;temp<100;temp++) NOP();

LED_STATE = 1;

LED = 1; //and turn ON the LED

}

else { LED_STATE = 0; LED = 0; }

button_state = 1; //else keep the LED OFF

}

}

} else button_state = 0;

//if no push button pushed detected and LED is OFF:

if ((LED_STATE==0)&&(button))

{

CLRWDT();

CMCON0 = COMP_SETUP_1; //Enable comparator; 0.6V internal reference

for(temp=0;temp<10;temp++) NOP(); //delay for stable comp output

if(CMCON0&0x80) //check comparator output and

{

CMCON0 = COMP_SETUP_2; //disable it,

EN = 1; //stop switching MCP1640

temp = GPIO; //read the output latch to avoid false interrupt on PIN Change

SLEEP(); //and go to SLEEP Mode

}

else

{

CMCON0 = COMP_SETUP_2; //else keep disable it,

EN = 0; //start MCP1640

for(temp=0;temp<150;temp++) NOP(); //for short period

EN = 1; //and stop it.

temp = GPIO; //read the output latch to avoid false interrupt on PIN Change

SLEEP(); //and go to SLEEP Mode

}

}

else

{

CLRWDT(); //reset the internal timer

}

}

}


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NOTES:


マイクロチップ社製デバイスのコード保護機能に関して以下の点にご注意ください。

• マイクロチップ社製品は、該当するマイクロチップ社データシートに記載の仕様を満たしています。

• マイクロチップ社では、通常の条件ならびに仕様に従って使用した場合、マイクロチップ社製品のセキュリティレベルは、

現在市場に流通している同種製品の中でも最も高度であると考えています。

• しかし、コード保護機能を解除するための不正かつ違法な方法が存在する事もまた事実です。弊社の理解では、こうした手法

はマイクロチップ社データシートにある動作仕様書以外の方法でマイクロチップ社製品を使用する事になります。このような

行為は知的所有権の侵害に該当する可能性が非常に高いと言えます。

• マイクロチップ社は、コードの保全性に懸念を抱いているお客様と連携し、対応策に取り組んでいきます。

• マイクロチップ社を含む全ての半導体メーカーで、自社のコードのセキュリティを完全に保証できる企業はありません。コー

ド保護機能とは、マイクロチップ社が製品を「解読不能」として保証するものではありません。

コード保護機能は常に進歩しています。マイクロチップ社では、常に製品のコード保護機能の改善に取り組んでいます。マイクロ

チップ社のコード保護機能の侵害は、デジタルミレニアム著作権法に違反します。そのような行為によってソフトウェアまたはそ

の他の著作物に不正なアクセスを受けた場合、デジタルミレニアム著作権法の定めるところにより損害賠償訴訟を起こす権利があ

ります。

本書に記載されているデバイスアプリケーション等に関する

情報は、ユーザの便宜のためにのみ提供されているものであ

り、更新によって無効とされる事があります。お客様のアプ

リケーションが仕様を満たす事を保証する責任は、お客様に

あります。マイクロチップ社は、明示的、暗黙的、書面、口

頭、法定のいずれであるかを問わず、本書に記載されている

情報に関して、状態、品質、性能、商品性、特定目的への適

合性をはじめとする、いかなる類の表明も保証も行いません。

マイクロチップ社は、本書の情報およびその使用に起因する

一切の責任を否認します。生命維持装置あるいは生命安全用

途にマイクロチップ社の製品を使用する事は全て購入者のリ

スクとし、また購入者はこれによって発生したあらゆる損害、

クレーム、訴訟、費用に関して、マイクロチップ社は擁護さ

れ、免責され、損害を受けない事に同意するものとします。暗

黙的あるいは明示的を問わず、マイクロチップ社が知的財産

権を保有しているライセンスは一切譲渡されません。

2013 Microchip Technology Inc.

商標

マイクロチップ社の名称とロゴ、Microchip ロゴ、dsPIC、

FlashFlex、KEELOQ、KEELOQ ロゴ、MPLAB、PIC、PICmicro、PICSTART、PIC32 ロゴ、rfPIC、SST、SST ロゴ、

SuperFlash および UNI/O は、米国およびその他の国におけ

るマイクロチップ・テクノロジー社の登録商標です。

FilterLab、Hampshire、HI-TECH C、Linear Active Thermistor、MTP、SEEVAL、Embedded Control Solutions Company は、

米国におけるマイクロチップ・テクノロジー社の登録商標

です。

Silicon Storage Technology は、他の国におけるマイクロ

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Analog-for-the-Digital Age、Application Maestro、BodyCom、

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およびその他の国におけるマイクロチップ・テクノロジー社

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その他、本書に記載されている商標は各社に帰属します。

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ISBN: 978-1-62077-192-1

DS01337A_JP - p.21

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インド - ニューデリー

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インド - プネ

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82-2-558-5934

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台湾 - 台北

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タイ - バンコク

Tel: 66-2-694-1351Fax: 66-2-694-1350

ヨーロッパオーストリア - ヴェルス

Tel: 43-7242-2244-39Fax: 43-7242-2244-393

デンマーク - コペンハーゲン

Tel: 45-4450-2828 Fax: 45-4485-2829

フランス - パリ

Tel: 33-1-69-53-63-20 Fax: 33-1-69-30-90-79

ドイツ - ミュンヘン

Tel: 49-89-627-144-0 Fax: 49-89-627-144-44

イタリア - ミラノ Tel: 39-0331-742611 Fax: 39-0331-466781

オランダ - ドリューネン

Tel: 31-416-690399 Fax: 31-416-690340

スペイン - マドリッド

Tel: 34-91-708-08-90Fax: 34-91-708-08-91

イギリス - ウォーキンガム

Tel: 44-118-921-5869Fax: 44-118-921-5820

各国の営業所とサービス

11/29/12

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