リチウムイオン電池用リニア充電器のテスト回路：Design Ideas 計測とテスト

最近の電池の充電器は、ほとんどがスイッチング方式を採用しているが、リニア方式の充電器にもEMI（electromagnetic interference：電磁波干渉）の問題がないなどといったメリットがある。そこで、単セルリチウムイオン電池用のリニア方式充電器の動作をチェックできる回路を紹介する。

[Marian Stofka （スロバキア工科大学），EDN Japan]

単セルリチウムイオン電池用のリニア方式充電器の動作をチェック

　最近の電池の充電器は、ほとんどがスイッチング方式を採用している。しかし、リニア方式の充電器にも少なからずニーズがある。その1つが単セルリチウムイオン電池用の充電器だ。リチウムイオン電池の場合、1電池当たりに要する充電電圧は4.2Vである。

　従って、リニア方式の充電器ならば、汎用性の高い5V_DCを電源として使用できるというメリットがある。リニア方式で5V電源からリチウムイオン電池を充電する場合、電源効率ηはほぼ4.2/5＝84〔％〕になる。この値は理想的な条件におけるものであり、実際には、充電制御回路などでの消費電力があるため幾分低くなる。とはいえ、それでもスイッチング電源を使用する場合と同等だ。それに加え、リニア方式の充電器には他にもいくつかのメリットがある。EMI（electromagnetic interference：電磁波干渉）の問題がない、インダクターを使用しなくてもよい、必要なコンデンサーの数量が少ないといったことだ。

　リニア方式の充電器用IC の例として、米Analog Devices社の「ADP2291」が挙げられる。同製品のパッケージは3mm×3mmのLFCSPまたはQFNである。このような小型パッケージの場合、端子ピッチが0.5mmと狭いため、はんだ付けの良否を視覚的にチェックするのは困難だ。そのため、はんだ付けの良否は、ICをはんだ付けした後で動作試験によって確認することになる。本稿では単セルリチウムイオン電池用のリニア方式充電器の動作をチェックする方法を紹介する（図1）

図1：リニア方式充電器のテスト回路 （クリックで拡大）
注）C_INとC_OUTはタンタルチップコンデンサー、　C₁〜C₆はアルミ電解コンデンサー、　C_Tはセラミックチップコンデンサー、　LED₁は0805サイズの赤色LED。

　この回路は電池の充電回路と同様の構成だが、充電器の試験を行うために、充電の対象となる電池を一連の電解コンデンサーで置き換えている。コンデンサーの充電は電池の充電に比べて短時間で行えるので、テスト時間を秒オーダーに短縮することができる。また、直前に充電されたコンデンサーの電荷の除去も容易であり、コンデンサーの端子を短絡して放電させるだけでよい。加えて、コンデンサーの場合にはリチウムイオン電池では難しい完全放電が行え、放電後の電圧を0Vにすることができる。

　この回路に電源を投入すると、充電器の動作状況を表すLED₁が短時間点灯する。LED₁が点灯する時間は、次の式で求められる。

　この式において、V_Tは充電器ICがプレ充電モードから高速充電モードへ切り替わる際のBAT端子の閾（しきい）値電圧で、その値は2.8Vである。Cは充電器回路の出力（BAT端子）に接続される電解コンデンサーの容量の合計値、I_PRはプレ充電電流、V_OUTは充電完了時の標準出力電圧である4.2V だ。IC₁のADJ端子をオープンにした場合、高速充電モードの充電電流をプレ充電時の約10倍にできる。上式のかっこ内の第1項はプレ充電が行われる時間を表し、第2項は高速充電が行われる時間を表す。コンデンサーの合計容量値が0.012Fでプレ充電電流が46.5mAであるとすると、LEDの点灯時間は0.76sとなる。

　プレ充電電流を求めるには、まず出力端に可変抵抗R_Lを接続し、その抵抗値を最小値から徐々に増大させて、点灯中のLEDが消える瞬間の条件を見つけ出す。そのときの抵抗値で出力電圧4.2Vを割った値がプレ充電電流に相当する。図1の回路において、実測したプレ充電電流は44.4mAとなり、データシート^＊1）と比較して妥当である。

　^＊1） "Compact, 1.5 A LinearCharger for Single-Cell Li+Battery," ADP2291, Analog Devices, 2005.

　充電モードが切り替わる閾値電圧V_Tは、次のような手順で計測できる。まず、出力電圧を計測しながら、可変抵抗R_Lの値を最小値から徐々に増加させる。出力電圧が2.6V近くになったら可変抵抗をゆっくり調整するようにし、出力電圧が4.2Vに急変し始める瞬間の電圧を測定する。この手法により測定した閾値電圧は2.75Vであった。

Design Ideas〜回路設計アイデア集

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※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事から200本を厳選し、5つのカテゴリーに分けて収録した。