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昇降圧コンバータ回路設計: ET80101 1A 同期レギュレータで単一セル リチウムイオン バッテリの動作時間を最大化
2026/10/30 
コンパクトかつ高効率な設計 昇降圧コンバータ回路 これは、3.3V や 3.5V などの安定化システム レールが、目標出力電圧を上下に変動する入力電圧範囲にわたって継続的に動作する必要がある場合に不可欠です。新しく充電された単一セルのリチウムイオン (Li-ion) またはリチウムポリマー (LiPo) バッテリーは、4.2V ～ 4.45V (VIN > VOUT) の間で開始し、放電中 (VIN ≈ VOUT) に 3.3V ～ 3.5V のレギュレーションゾーンを直接通過し、パルス負荷 (VIN < VOUT) では 2.7V、さらには 2.2V まで使用可能なエネルギーを供給し続けます。
スペースに制約のあるハードウェアでバッテリーの完全放電曲線を解放するには、 ETEK マイクロエレクトロニクス を設計した ET80101は、1.28 mm × 1.28 mm WLCSP9 パッケージに収められた、1 MHz I²C インターフェイスを備えた超低静止電流 (< 5 µA)、1A 同期昇降圧 DC-DC コンバータです。
この記事では次のことを学びます:
- シングルセルリチウムイオンシステムに非反転昇降圧コンバータ回路が必要な理由
- 単一インダクタ昇降圧トポロジにおける 3 つの古典的な設計のハードル
- ET80101 がシームレスな 3 モード遷移、< 5 µA IQ、および 1 MHz I²C 電圧スケーリングをどのように実現するか
- WLCSP9 設計の実際的なレイアウトとインダクタの選択ルール
昇降圧コンバータ回路とは何ですか?
非反転同期 昇降圧コンバータ回路 は、単一のパワー インダクタの周囲に配置された 4 つの内部 MOSFET スイッチを使用して、入力電圧を降圧 (降圧モード)、昇圧 (昇圧モード) するか、入力電圧と出力電圧がほぼ等しい場合 (降圧-昇圧モード) にスムーズに安定化する DC-DC スイッチング レギュレータです。これにより、3.3V または 3.5V の固定負荷を放電中のバッテリの電圧範囲全体で動作させることができます。
単一インダクタの昇降圧設計における 3 つの課題
1. VIN ≈ VOUT の場合のモード遷移リップル
制御が不十分な昇降圧 IC では、入力電圧が出力電圧に等しいクロスオーバー ポイント付近で動作すると、コントローラーが降圧モードと昇圧モードの間で繰り返しハンティングを起こします。 This mode toggling injects low-frequency ripple onto the output rail, disturbing sensitive ADCs, fingerprint sensors, and optical modules.
2. 軽負荷時のバッテリー消耗
ポータブルおよびウェアラブル電子機器は、ライフサイクルのほとんどをアイドル状態またはスリープ状態で過ごし、マイクロアンペアを消費します。昇降圧コントローラが数十マイクロアンペアの静止電流 (IQ) を消費すると、スタンバイ バッテリの動作時間が急激に低下します。
3. シャットダウン時の出力リーク
従来のブースト段には、ハイサイド同期整流器のボディ ダイオードを介して入力から出力までの固有の伝導経路が含まれています。真の負荷切断がなければ、レギュレータを無効にしても、下流の負荷をバッテリから分離できません。
ET80101 が昇降圧コンバータ回路を最適化する方法
の ET80101 は、すべてのパワースイッチ、ループ補償、ソフトスタート、およびデジタル制御をウェーハレベルのチップスケールパッケージに統合する高周波 (> 1 MHz) 同期アーキテクチャを通じて、これらの制限のそれぞれに対処します。
シームレスな 3 モード遷移 (降圧、昇降圧、および昇圧)
その向こう側 2.2V～5.0Vの入力電圧範囲、ET80101 は最大で 1Aの連続出力電流 3 つの動作体制から自動的に選択されます。
- 降圧モード (VIN > VOUT): スイッチング損失を最小限に抑えながら、高いバッテリ電圧を降圧します。
- 新しい昇降圧モード (VIN ≈ VOUT): 入力電圧が出力電圧に近づくと、クロスオーバー領域をスムーズにブリッジします。
- 昇圧モード (VIN < VOUT): 深く放電したバッテリーの電圧を最大まで昇圧します。 2.2V、ピーク電流バースト中の早期のシステム リセットを防ぎます。
モード遷移は厳密に定義されたしきい値で発生し、VIN ≈ VOUT クロスオーバー ゾーンでの不要なモード トグルを排除し、出力電圧リップルを低く保ちます。このコンバータは、専用の順方向および逆方向電流制限による順方向および逆方向電流動作もサポートしています。
自動 PFM および強制 PWM モードによる静止電流 < 5 µA
バッテリーの稼働時間を最大化するには ウェアラブルデバイス ET80101 はスマート ロックを実現します。 動作静止電流が 5 µA 未満 そして シャットダウン時は1μA未満。エンジニアは、I²C を介して 2 つのスイッチング モードから選択できます。
- 自動 PFM (パルス周波数変調) モード: 軽負荷時に自動的にパルススキップに入り、負荷範囲全体にわたって高効率を維持します。
- 強制PWM (FPWM) モード: すべての負荷電流にわたって連続的な固定周波数スイッチング (> 1 MHz) を維持し、確定的なスペクトル性能と最小限の出力リップルを実現します。
ハードウェア VSEL デフォルトと 1 MHz I²C 動的電圧スケーリング
電源投入時、つまりホスト MCU が I²C バスを初期化する前に、VSEL ピンはデフォルトのハードウェア出力電圧と 7 ビット I²C スレーブ アドレスの両方を設定し、2 つの ET80101 レギュレータが外部マルチプレクサなしで同じ I²C バスを共有できるようにします。
| VSEL ピンの状態 | デフォルトのハードウェア出力電圧 (VOUT) | 7 ビット I²C スレーブ アドレス (バイナリ) | 7 ビット I²C スレーブ アドレス (16 進数) |
|---|---|---|---|
| VSEL = ハイ (H) | 3.5V | 1110101 | 0x75 |
| VSEL = ロー(L) | 3.3V | 1110110 | 0x76 |
ホスト プロセッサが実行されると、ホスト プロセッサはネットワーク上で通信できるようになります。 ハイスピードプラスモード I²C インターフェース (最大 1 MHz) に：
- VOUTを2.025Vから5.2Vにプログラム 大丈夫です 25mV/ステップ 増分
- 出力電圧遷移スルーレートの制御 動的電圧スケーリング (DVS) 時
- 自動 PFM または FPWM モードを選択します その場で
- ソフトウェアの起動/シャットダウン、ステータスフラグ、パワーグッド(PG)信号の管理
真の負荷切断、500 µs のソフトスタート、および完全な保護
標準のブーストコンバータとは異なり、ET80101 は 真の負荷切断 シャットダウン中に、出力レールを入力バッテリから分離します。無効にすると、内蔵のアクティブ放電回路が出力容量を内部でグランドに逃がします。 20ミリ秒.
電源投入時、内部固定 500μsのソフトスタート バッテリーの突入電流を制限します。障害保護には、サイクルごとの電流制限、ヒカップ短絡保護、非ラッチング低電圧保護 (UVP)、およびサーマル シャットダウン (TSD) が含まれます。
ET80101の主な仕様
| パラメータ | ET80101の仕様 | システム設計の利点 |
|---|---|---|
| 入力電圧範囲 (VIN) | 2.2V～5.0V | 単セル Li-ion/LiPo バッテリーから使用可能な容量を最大限に引き出します |
| プログラム可能な出力電圧 (VOUT) | 2.025V ～ 5.2V (I²C 経由で 25 mV/ステップ) | 1 つの BOM 項目で 2.5V、3.0V、3.3V、3.5V、および 5.0V レールをカバー |
| ハードウェアのデフォルト VOUT | 3.5V(VSEL=H)/3.3V(VSEL=L) | MCU I²C 初期化前の自律ブート |
| 連続出力電流 (IOUT) | 最大1A | 高電流パルス負荷を駆動 (光モジュール、RF PA、センサー) |
| スイッチング周波数 (fSW) | > 1MHz | コンパクトな薄型インダクタと小型 MLCC を実現 |
| 動作静止電流 (IQ) | < 5μA | ウェアラブルやIoTノードのスタンバイバッテリー寿命を延長 |
| シャットダウン電流 | < 1 µA (真の負荷切断時) | 電源オフ時に負荷を完全に分離 |
| ソフトスタート/アクティブ放電 | 500μsのソフトスタート/20msの放電 | 起動時の電圧低下を防止し、レールを確実にリセットします |
| デジタルインターフェース | 1 MHz I²C (VSEL 経由の 0x75 / 0x76) | 動的な電圧スケーリング、モード制御、ステータスフラグ、PG出力 |
| パッケージ | WLCSP9（1.28mm×1.28mm、0.4mmピッチ） | スペースに制約のある PCB レイアウト向けの超コンパクトな設置面積 |
代表的な用途
- 小型ウェアラブルデバイス: スマートウォッチ、フィットネス バンド、AR/VR メガネ、パルス LED またはワイヤレス送信負荷中に単一セル LiPo 電圧が 3.3 V 未満に低下する医療用パッチ。
- 電圧安定器: データ通信機器、光トランシーバー モジュール、熱電冷却/加熱 (TEC) ステージ。
- システムプリレギュレータ: スマートフォン、タブレット、POS 端末、テレマティクス ユニットでは、RF バースト中にバッテリー電圧の低下が発生します。
- ポイントオブロード (PoL) 規制: 有線産業用センサー、ポート/ケーブル アダプター、およびケーブル IR ドロップを補償するドングル。
- 指紋センサーとカメラセンサー: 電子スマート ドア ロックと IP ネットワーク カメラは、バッテリの放電状態全体にわたって安定した 3.3 V または 3.5 V のセンサー電力を必要とします。
高電圧降圧要件については、関連記事を参照してください。 ETEK ET81313 17V 3A 同期降圧コンバータ (SOT563).
WLCSP9 昇降圧回路の PCB レイアウトのヒント
- 入力と出力の両方のスイッチング ループを最小限に抑える: 降圧コンバータ回路は、降圧モードでは入力側で、昇圧モードでは出力側で不連続電流を切り替えるため、WLCSP9 パッケージの VIN、VOUT、および GND バンプのすぐ隣に低 ESR の X5R/X7R セラミック デカップリング コンデンサを配置します。
- スイッチングノードをコンパクトに保つ: 最上層の短く幅広の銅配線を使用して、パワー インダクタを SW1 ピンと SW2 ピンのできるだけ近くに配置します。
- デジタル制御ラインを分離します。 容量性ノイズ結合を防ぐために、1 MHz I²C ライン (SDA、SCL) と VSEL をインダクタのスイッチング ノードから離して配線します。
- 低VIN昇圧動作時のインダクタ飽和電流のサイズ: インダクタの飽和電流定格が、最小入力電圧 (2.2V) および最大 1A 出力負荷でのピーク インダクタ電流を超えることを確認してください。
よくある質問
単一セルのリチウムイオン電池に標準的な降圧コンバータではなく、降圧コンバータ回路を使用するのはなぜですか?
単セルのリチウムイオン電池は 4.2V ～ 4.45V から 2.7V ～ 2.5V まで放電し、大電流パルスまたは低温下では一時的に 2.2V まで低下することがあります。降圧コンバータは、VINが3.4V近くに低下するとすぐにレギュレーションを失い、バッテリ容量の20%～35%が未使用のままになります。の ET80101 昇降圧コンバータ回路 までシームレスに規制します 2.2V、使用可能な充電量をすべて抽出します。
ET80101 は I²C ソフトウェア プログラミングなしで動作できますか?
はい。 1 MHz I²C インターフェイスにより、動的電圧スケーリングのロックが解除されます。 2.025V～5.2V (25 mV ステップ) とモード選択により、ET80101 はハードウェア VSEL ピンを使用して自律的にブートします: VSEL Low 出力を接続します。 3.3V (0x76)、および VSEL High 出力を接続 3.5V (0x75)。
2 つの ET80101 昇降圧レギュレータは同じ I²C バスを共有できますか?
はい。 Because the VSEL pin configures two distinct 7-bit I²C slave addresses—0x75 (1110101) VSEL = ハイの場合、および 0x76 (1110110) VSEL = Low の場合 - 2 つの ET80101 デバイスを同じ SDA/SCL バスに直接接続し、起動後に独立してプログラムできます。
ET80101 がシャットダウンすると出力レールはどうなりますか?
無効にすると、ET80101 が有効になります 真の負荷切断 出力を入力電源から絶縁し（シャットダウン電流 1 μA 未満）、内部アクティブ放電スイッチを作動させて出力レールを内部でグランドに放電します。 20ミリ秒.
結論: 1.28 mm × 1.28 mm の設置面積でバッテリを最大限に活用
シングルセルのリチウムイオンウェアラブル、スマートロック、光モジュールの場合、 ET80101 完全な 1A 同期信号を提供します 昇降圧コンバータ回路 超小型の WLCSP9 パッケージに、シームレスな 3 モード遷移、5 μA 未満の静止電流、1 MHz I²C プログラマビリティを備えています。
👉 にアクセスしてください。 ET80101 製品ページ ETEK を探索してください DC-DCコンバータのポートフォリオ
✉️ リクエストサンプル: https://www.etekmicro.com/sample
