電力経路設計（負荷分散とも呼ばれる）では、デバイスは入力電源からシステムへの専用経路を確保しつつ、別の経路でバッテリーを充電します。充電は電圧と電流のしきい値に達すると終了します。
これがないと、動作中のデバイスが充電器と電流を奪い合うことになります。その結果、バッテリーが消耗し、充電時間が長くなり、負荷電流によって終端測定が狂ってしまいます。
これは、医療、ロボット、セキュリティ、インフラ、産業市場において、カスタム仕様のリチウム電池パックを調達する機器メーカーにとって重要な問題です。トレードオフは用途によって異なり、システム検証が必要です。
以下に4つのパートを示します。電力経路が重要な理由、主要な回路部品、充電中の動作、および検証を伴う充電終了です。
主要なポイント（要点）
電源経路設計により、バッテリーを別途充電しながら、デバイスをアダプターから動作させることができます。
適切な入力バジェットと電源経路コントローラを使用することで、不要なバッテリー放電を削減できます。ただし、補助モードではバッテリー電流が消費される場合があります。
充電器がバッテリー電流のみを測定するため、正確な充電終了が可能になります。
バッテリーがない場合、またはバッテリー残量が少ない場合の起動は、コントローラー、電源予算、負荷プロファイルに依存するため、テストが必要です。
設計を承認する前に、必ず実際の寸法を用いて作業台上で検証してください。
パート1：OEMデバイスにとって電源経路設計が重要な理由
1.1 単純な充電の問題点
お使いのバッテリーパックと「互換性がある」充電器は、バッテリーへの電流と電圧を調整するだけで、同時にデバイスがどのように電力を消費するかについては何も規定していません。これが、一般的な充電器の互換性と真の負荷分散との間のギャップです。
電源経路設計により、このギャップが解消されます。システム負荷にはアダプタから専用の電源経路が確保され、バッテリーには別途安定化された経路が確保されます。これにより、デバイスは充電器のバッテリー端子から動作電流を引き込む必要がなくなります。
NMCバッテリーパックを搭載した携帯型医療モニターを考えてみましょう。バッテリーパックの仕様では充電電流が規定されているかもしれませんが、デバイスの電子回路はアダプターの出力の大部分を消費します。単純な充電器では、これら2つの電流を分離することはできません。しかし、電源経路回路を使えばそれが可能です。
1.2 バッテリーの消耗と充電時間の競合
負荷分散がない場合、動作中の機器と充電器は同じ電流を奪い合います。負荷がアダプターの供給能力を超えると、バッテリーが不足分を補います。そのため、バッテリーは接続中に放電し、充電時間が長くなります。
バッテリーへの電力供給を繰り返し行うと、エネルギー出力と発熱量に影響が出る可能性があります。部分的な電力供給を1サイクルとしてカウントするのではなく、実際の稼働サイクルを評価してください。
ここでは化学組成が重要です。LiFePO4、LCO、LMOの各バッテリーパックは、部分的な充放電サイクルに対する反応がそれぞれ異なり、セルレベルの定格値とパックレベルの定格値も異なります。購入を決定する前に、実際のセルデータシートとシステム条件に基づいて動作を確認してください。
パート2：電源経路回路の主要構成要素
2.1 理想ダイオードと入力FET
アダプタ入力には理想的なダイオードが配置されています。これは実際のダイオードではなく、ほぼ損失のないスイッチのように動作します。アダプタが接続されているときは、システムに電流を供給します。アダプタが切断されると、逆流を遮断し、バッテリーから入力への逆流を防ぎます。
入力FETは、より高い電流で同じ役割を果たします。その配置は設計全体に影響を与えます。ローサイドFETはバッテリーのグランドパスに配置され、回路を簡素化しますが、保護動作時にはグランド基準を失います。ハイサイドFETは正のパスに配置され、バッテリーとシステムを共通のグランドに維持します。これは、安全性の観点からほとんどの設計者が好む構成です。
充電器の電源経路管理と、共通ポートまたは個別ポートのパック保護を区別してください。回路要件に基づいてスイッチング構成を選択し、逆電流遮断、突入電流、および故障動作を検証してください。
2.2 充電コントローラとシステム負荷経路
充電コントローラーは、バッテリーへの電流と電圧を制御します。システム負荷経路はアダプターを直接利用します。これら2つが連携して、入力、バッテリー、システムの間に中間ノード（第3ノードと呼ばれることが多い）を形成します。このノードにより、瞬時起動が可能になります。バッテリー残量が非常に少ない場合や、バッテリーが装着されていない場合でも、デバイスはアダプターから起動します。
バッテリー管理システムは、このノードの背後にあるパックを監視します。アナログフロントエンドはセル信号を検知し、障害をフラグ付けします。燃料ゲージは充電状態と健全性を推定します。マイクロコントローラは診断と通信を実行し、二次保護装置が冗長な安全性を追加します。セルバランスは、実装されている場合、直列グループの不均衡の管理に役立ちます。これらの機能の詳細については、 BMSとPCMのページ優れた電力経路設計では、コントローラーと、正確なセルデータを報告するBMS（バッテリー管理システム）を組み合わせて使用します。
パート3：動作中の電力経路設計の仕組み
3.1 入力電源からのシステムへの電力供給
アダプターはまずシステム負荷を供給します。パワーパス設計により、入力電流はデバイスの電子回路に直接送られ、バッテリーは別の経路に配置されます。デバイスはバッテリーパックではなく、壁のコンセントから電源供給を受けます。
入力バジェットが上限値を決定します。例として、アダプタが一定の電流を供給し、ボードがピーク時にそのほとんどを消費するとします。残りの電流のみがバッテリーに流れます。アダプタのサイズは、最悪の負荷と目標充電電流の合計に基づいて決定し、ベンチテストでその配分を確認してください。これらの数値はあくまで例示です。実際のバジェットは、アダプタのデータシート、セルのデータシート、およびシステム検証によって異なります。
選択した電源および充電器のディレーティング曲線、筐体温度、および実際の冷却条件を確認してください。普遍的な周囲ディレーティングポイント、空気流量要件、または対流抑制率はありません。
アダプタが外れた場合でも、切り替え機能によってデバイスは動作し続けます。輸液ポンプや人工呼吸器などの医療機器は、この機能に依存しています。IEC 62133に基づくバッテリーの安全性と、電池の劣化に対する予算を確保してください。切り替え回路だけでなく、バッテリー自体の劣化も考慮する必要があります。
実際のホスト要件に基づいて、許容されるレール垂下量と中断量を定義します。アダプタの取り外し、再接続、負荷ステップ、および保護遷移をテストします。アプリケーション名だけでは、中断許容度は決定されません。
3.2 バッテリーの並列充電
充電コントローラーは、システム稼働中にバッテリー回路を制御します。バッテリーパックに一定電流を供給し、バッテリーパックの電圧が上限に近づくにつれて電流を徐々に減少させます。通常のアダプター給電動作中は、システム回路は検出対象のバッテリー充電経路とは分離されています。補助電源モードやその他のモードについては、別途確認してください。
この独立性が重要なポイントです。単純な充電器は負荷電流と充電電流を混合した単一の電流を測定しますが、パワーパス充電器は充電電流のみを測定します。この分離によって正確な終端処理が可能になり、これについては第4部で説明します。
第4部：料金請求の取り消し処理方法
4.1 電圧および電流のしきい値
リチウムイオン充電器は2つのフェーズで動作します。定電流フェーズでは、一定の電流をバッテリーパックに流し込みます。バッテリーパックが電圧の上限に達すると、充電器は定電圧に切り替わり、その電圧を維持します。その後、セルが満たされるにつれて充電電流は徐々に減少します。
多くのCC/CV充電器の実装では、充電終了にはバッテリー電圧と充電電流の条件が必要であり、これらはコントローラ固有のタイマー、動作モード、および温度ロジックによって規定されます。定格電流の一般的な割合ではなく、選択したコントローラとセルのドキュメントを参照してください。
電圧制限値は、化学組成とセル仕様によって異なります。これらは標準値として扱い、ご使用のセルのデータシートと照らし合わせてご確認ください。
承認されたセル仕様、直列接続数、許容誤差、および保護設定に基づいて、パックの充電制限値を算出します。個々のセルが許容条件を超えていないことを確認してください。
充電電圧、電流、終止基準、再起動条件、温度制限をまとめて指定してください。終止電流が低い方が必ずしも好ましいとは限りません。充電時間、熱曝露、セル要件を検証してください。
4.2 タイマー、安全点検、および検証
電流だけでは充電を終了させてはいけません。ITERMが作動しなくても、一定時間経過後に充電サイクルを停止する安全タイマーを追加してください。バッテリーパックの温度チェックを追加し、セルデータシートで規定されている温度範囲外では充電を一時停止してください。電圧制限に達しないバッテリーパックを監視し、異常としてフラグを立ててください。
デザインを承認する前に、要件リストを作成してください。
負荷分散：バッテリーパックの充電中に、システムがアダプターから電力を供給されていることを確認してください。
充電器の入力バジェット：アダプターのサイズは、最悪の負荷と目標充電電流の合計に基づいて決定します。
終了しきい値：セルデータシートから充電電圧とITERMを設定し、ベンチテストで検証します。
熱的限界：最悪の内部周囲温度におけるディレーティング曲線を確認してください。
電源切り替え：アダプタが切断されたときの動作を定義し、負荷がかかった状態でテストします。
データシートの仮定ではなく、ベンチ測定によって各項目を検証してください。充電電流、パック電圧、基板温度を全サイクルにわたって記録してください。
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検証済みの電源経路は、システム負荷とバッテリー電流測定を分離し、電源の切り替えを制御します。これは、独立したバッテリー保護に取って代わるものではなく、デバイスレベルの安全性を証明するものでもありません。実際の負荷プロファイル、電力バジェット、温度制限、および障害応答を確認してから、設計をリリースしてください。
FAQ
負荷分散機能は、バッテリーパックとの互換性を謳う充電器とどのように異なるのでしょうか？
互換性とは、充電器がバッテリーへの電流と電圧を調整することだけを指し、同時にデバイスが電力を消費することについては何も示していません。負荷分散機能により、アダプターからシステムへの経路が別になるため、電子機器が充電器のバッテリー端子から電流を引き込むことがなくなります。
動作中に充電するデバイスの場合、アダプターのサイズはどのように選べば良いですか？
最悪のシステム負荷を目標充電電流に加算し、ベンチテストで分割を確認してください。電源のディレーティング曲線は、室温ではなく、最も高温の内部周囲温度で確認してください。ファンレス設計の場合は、対流定格を使用する必要があります。これは通常、強制空冷定格よりも低くなります。
システム負荷が充電終端処理を阻害するのはなぜか？
単純な充電器は、負荷電流と充電電流を合わせた単一の電流を測定します。デバイスが十分な電流を消費する場合、その合計電流はITERMしきい値まで低下しない可能性があり、そのためサイクルが正常に終了しません。パワーパス設計では充電電流のみを測定するため、終了判定の精度が維持されます。
バッテリー残量が非常に少ない、またはバッテリーパックが装着されていない状態でも、デバイスは起動できますか？
はい、入力、バッテリー、システムの間に中間ノードが回路に設けられている場合です。その中間ノードによって、デバイスはアダプタから直接起動できます。インスタントオンの動作はコントローラと負荷プロファイルに依存するため、ご自身のハードウェアで動作を確認してください。
電源経路設計を承認する前に、何を検証すべきですか？
全サイクルにわたって、充電電流、パック電圧、基板温度を記録します。アダプタがダウンした際に、負荷がかかった状態で切り替えテストを行います。セルデータシートと照らし合わせて充電電圧とITERMの設定を確認し、最悪の周囲温度における熱マージンをチェックします。すべての結果は、デューティサイクルに依存するものとして扱います。
パート5：主要技術資料
テキサス・インスツルメンツは、システム電流とバッテリー電流の分離について説明しています。 電源経路充電器に関する技術記事コンポーネント固有の動作については、選択したコントローラのデータシートと照らし合わせて確認する必要があります。
