「USB-C充電コントローラを使いファームウェアなしで急速充電を迅速に実装」(Digi-Key社【アプリケーションラボ】技術解説記事のご紹介)

　「アプリケーションラボ」は、Digi-Key社のご協力をいただいて、Digi-Key社が公開している新製品や技術情報を日本語でご紹介するWebページです。基礎技術から最新技術まで有益な情報を公開していますので、是非ご活用ください。

　今回は、大容量バッテリーを積んだスマートフォンなどの急速充電を可能にするON Semiconductor社の充電コントローラについて解説した記事をご紹介します。

■USB-C充電コントローラを使いファームウェアなしで急速充電を迅速に実装

　最近のスマートフォンはディスプレイが大きくなり、さらに5Gへの対応も要求されているためバッテリーの容量も大きくなっていますが、充電時間は短くすることが求められています。そのような場合、USB Type-C Power Delivery3.0のプログラマブルパワー電源(PPS)機能を使用すると、大型バッテリーの急速充電を可能にすることができます。

　USB Power Delivery(USB PD)は、2012年に公開されたUSBケーブルを使って電力を送るための規格です。2014年にUSB3.1が発表されたときに、USB PD2.0とUSB Type-Cの仕様が同時に公開され、USB Type-Cを使用して100Wまで電力を供給できるようになりました。2016年に公開されたUSB PD3.0では、プログラマブルパワー電源という機能が追加され、充電電圧を可変にすることで充電時の余分な発熱を減らして電力効率を上げられるようになりました。

　バッテリーに急速充電するには供給電力を大きくすればよいのですが、USB Type-Cでは5Aが最大許容電流です。したがって、チャージポンプ回路などを利用して電圧を上げるしか方法がありません。USB PD2.0では、5V/9V/15V/20Vと3A/5Aを組み合わせて使用する固定パワーデリバリオブジェクト(PDO)が定義されていました。しかしこれでは、充電効率のよい最適なポイントを維持することが難しくなります。USB PD3.0ではこれが改善されて、20mVステップで3.3V～21V、50mAステップで5Aまで電圧と電流を可変することが可能になりました。これにより、ソースとシンク間の充電効率を最適化することができます。

　
＜ FUSB3307の内部ブロック ＞

　 【アプリケーションラボ】では、急速充電アダプタに求められる課題とUSB PD3.0 PPSの仕組みについて解説した後、ON Semiconductor社の急速充電コントローラFUSB3307を紹介しています。FUSB3307は、USB PD3.0v1.2とUSB Type-C1.4に準拠したファームウェアを搭載しており、AC/DCとDC/DC充電器の両方に対応しています。FUSB3307は、マイコンなどのコントローラを必要とせずに、少数の部品だけでUSB PD3.0互換の電源を実装することができます。

　また、FUSB3307の評価用ボードとして、FUSB3307MX-PPS-GEVBが用意されています。このボードは、DC4.5V～32Vを入力し、5V～20Vの充電電圧を出力します。PPSを含むPD2.0とPD3.0の両方の仕様に対応しています。

　ここで解説されているデバイスは、マルツオンラインのウェブサイトで購入できますので、是非参考にしてください。

USB PD3.0充電コントローラ 【FUSB3307D6MX】 ￥265.72(税込￥292.29)
FUSB3307評価ボード 【FUSB3307MX-PPS-GEVB】 ￥17,264.45(税込￥18,990.89)

　下記の2本の解説記事も同時に公開しました。合わせて参考にしてください。

■ハイブリッドを用いてバッテリとスーパーキャパシタ両方の利点をIoT設計の電源に提供

　IoT機器ではリチウムイオン電池やスーパーキャパシタが使用されていますが、適切なバッテリーの選択が重要になります。ここでは、電気化学電池と電気二重層コンデンサの両方の特長を持つハイブリッドエネルギー蓄積コンポーネントについて解説します。

■アブソリュートエンコーダ用通信プロトコルガイド

　物体を動かすだけでなく位置や方向の検出に使用して、モータに賢さをもたらすのがエンコーダの役割です。ここでは、エンコーダにより検出した情報をコントローラに伝えるプロトコルの概要と選択方法を解説します。

　マルツエレックでは、回路設計から基板設計・製造・実装、そして量産まで皆さまのさまざまな「ものづくり」のお手伝いをさせていただいています。学校などにおいて 実験装置や電子教材を用意したいというご要望や、企業などでの試作品を作ってみたいという計画などがございましたら、マルツエレックの「ものづくり一貫サービス」を是非ご検討ください。

　これまでの電子回路の設計事例としては、

・電源回路/同期整流回路/インバータ回路
・モーター制御回路
・センシング回路
・2次電池アプリケーション回路
・LEDドライブ回路
・メガソーラーシステム回路

などがあります。その他の回路設計についてもご要望にお応えいたします。

＜ CNGインジェクション駆動回路 ＞

＜ SPICEによるシミュレーション ＞

　マルツエレックが実際に行ったものづくり事例として、「CNGインジェクション駆動回路の製作」をご紹介します。

　CNGインジェクションは、Compressed Natural Gas(圧縮天然ガス)の燃料噴射器です。天然ガスは発熱量あたりのCO2排出量が化石燃料の中で最も低く、地球温暖化対策として重要視されています。天然ガス自動車がすでに実用化されています。CNGインジェクション回路の設計は、SPICEを使って駆動素子の選定および過渡解析を行って最適解を求めました。回路基板は、等価回路モデルを採用して駆動素子の動作を試作前に検証し、電流を考慮して製作しました。

　マルツエレックでは回路設計だけでなく、部品の調達や基板の製造と実装、ハーネスやケースの加工まで行っています。詳細は、下記のWebページを参照してください。ご相談は、ものづくり相談受付フォームからお申込みください。

▽ものづくり一貫サービス
　https://www.marutsu.co.jp/pc/static/large_order/mono_service

▽ものづくり相談受付フォーム
　https://www.marutsu.co.jp/sv/enquete/?id=16