PassThruテクノロジーを利用することで、エネルギー貯蔵システムの寿命を延ばすことができます。

バッテリー寿命を延ばし、エネルギー貯蔵システムの性能を向上させる方法

バッテリーはエネルギー貯蔵システムの重要な構成要素です。バッテリー寿命を延ばすことは、システムの性能向上、より長い運転時間、そしてコスト削減につながります。通常、バッテリー寿命を延ばす方法は主に3つあり、それにはバッテリー技術の向上、より優れた機器の設計、そして革新的なエネルギー管理システムの提供が含まれます。

バッテリー技術の改善には、特定の用途に適したバッテリーを選択し、充電を管理し、温度を調整し、電力消費を最小化するための適切なバッテリーマネジメントシステムを設計することが含まれます。優れたデバイスを設計するには、効率的なハードウェアコンポーネントと堅牢なファームウェアを検討する必要があり、これらは機能性と寿命指標のバランスを取るうえで不可欠です。エネルギー最適化をインテリジェントに達成するためには、最新の電力管理システムを利用することが可能です。これらのシステムは、AIベースのアルゴリズム、新しいトポロジー構造、PassThruモードや省電力モードなどの効率的なコンバーター管理方法を活用します。

さらに、バッテリーと併せてスーパーキャパシタのようなエネルギー蓄積デバイスを利用することで、さまざまな応用シナリオにおいてメリットを享受することができます。スーパーキャパシタは、短期間の急速な充電や放電をサポートする能力、長寿命、高いシステム効率といった利点を提供します。例えば、スーパーキャパシタは迅速なエネルギー蓄積やバックアップ電源の供給に適しています。また、極端な温度条件にも耐えることができます。電気自動車のような場面ではバッテリーと組み合わせて使用することで、性能を向上させ、バッテリー寿命を延ばす助けとなります。さらに、スーパーキャパシタは環境にも優しいという特長があります。

スーパーキャパシタとバッテリーの主な違いのひとつは、同じ定格電圧の場合、0.1Ahの6セルリチウムポリマーバッテリーは電圧源としての特性を持ち、動作中もより安定した電圧を供給する点です。それに対し、2Fのスーパーキャパシタから負荷に電流が流れる場合、電圧が線形に低下します。スーパーキャパシタの線形放電特性により、そのエネルギーを変換するためにはより効率の良いシステムが必要となります。この状況では、昇降圧コンバータ機能を使用することがより適しています。このコンバータは、入力電圧が設定された出力電圧より低くても高くても、出力電圧の安定性を適切に調整および制御することができます。

PassThruモードは効率最適化を実現する重要な手段です

PassThruテクノロジーは、広い入力範囲を持つ電力デバイスにおける基本的な機能です。従来の制御方式（標準的な降圧・昇圧コントローラー）を使用するシステムと比較して、効率を向上させ、エネルギー貯蔵システムの寿命を延ばすことができます。「パススルー」とは、短絡したワイヤのように、定義された電圧範囲内で入力を直接出力へ伝送することを指します。PassThruテクノロジーは、電源（例:スーパーキャパシタ）と負荷の間のネットワークとして機能し、指定された許容範囲内で電圧調整を行います。この技術は、電源から負荷への直接的な経路を提供することで、デバイスが可能な限り効率的に動作するようにします。PassThruモードは、スーパーキャパシタで駆動されるデバイスの効率を最適化するための重要な手段であり、スーパーキャパシタの負荷/非負荷サイクルを減少させ、デバイスのEMIおよび全体的な性能を向上させます。

4スイッチ型昇降圧コンバータでは、PassThruモードにより指定されたウィンドウ設定に基づいて電源から出力負荷への直接経路を提供します。このモードでは、入力電圧を直接出力に渡すため、スイッチングによる損失を排除し、指定されたPassThruウィンドウ内で効率を向上させます。さらに、PassThruモードではスイッチング周波数が存在しないため、電磁適合性（EMC）も向上します。昇降圧コンバータにおけるPassThruモードは、降圧出力と昇圧出力で異なる出力電圧を設定できる柔軟性を提供します。これは、通常の昇降圧ICが単一の出力電圧しか提供しない仕様とは異なります。この機能は、入力電圧が異常に変動する場合でも負荷を保護する役割も果たします。

PassThruモード制御はシステムの運転効率を向上させます

PassThruモードはLT8210の動作モードで、これを実現できる唯一の昇降圧コントローラーICです。DC2814A-Aデモボードを例にすると、このデモボードはLT8210を使用しており、入力電圧範囲は4 Vから40 V、最大負荷電流は3 A、出力電圧は8 Vから16 Vです。PassThruモードで動作する場合、昇降圧運転と比較して重負荷時に最大5%の効率向上が可能であり、軽負荷時（例えば10%の負荷電流時）には最大17%の効率向上が可能です。そのため、PassThruモードは軽負荷動作条件下で大幅な性能向上を実現します。

LT8210 の PassThru モードでは、出力電圧が昇圧モードの出力電圧と異なることを可能にしますが、入力電圧が出力電圧設定に近い場合には、依然として昇降圧領域が存在することに注意する価値があります。この LT8210 の昇降圧領域の理由は、インダクター電流調整の昇圧制御領域と降圧制御領域の間に重なりがあるためです。

PassThruモードの適用効果を評価するために、ポイントオブロードコンバータのプリレギュレータとして使用される4スイッチ昇降圧コンバータが使用されます。このコンバータはモータードライバーとしても利用されます。電源は24Vスーパーキャパシタですが、DCモーターは9Vの入力電圧と0.3Aの入力電流を必要とします。昇降圧コンバータはPassThruモードで動作するか、連続導通モード（CCM）で動作する従来型の4スイッチ昇降圧コントローラとして動作します。なお、従来型の昇降圧コントロールにはPassThruモードはなく、昇圧、降圧、および昇降圧の動作のみが可能です。

PassThruモードを使用するシステムは、昇圧出力電圧を12Vに設定し、降圧出力電圧を27Vに設定します。この方法により、スーパーキャパシタの起動電圧を通過帯域制限内に収めることができます。したがって、システムは24Vから12Vのスーパーキャパシタ電圧の範囲においてPassThruモードを経由します。この期間中、効率は99.9%に達します。従来の制御方式のシステムと比較して、PassThruモードは効率を22%から27%向上させます。

PassThruモードによって制御されるシステムの効率が高い主な理由のいくつかには、昇圧動作の排除、バッテリー電圧を推奨される通過帯域内に維持すること、および軽負荷で運転するように設計され、スイッチ損失を削減することが挙げられます。PassThru技術は、スーパーキャパシタで駆動されるデバイスの性能を最適化するための重要な手段です。CCM（連続導通モード）の昇降圧動作で制御される従来のシステムと比較して、PassThruモードを備えたLT8210同期昇降圧コントローラーを採用することで、スーパーキャパシタで駆動されるデバイスの効率を大幅に向上させることが可能です。

同期型4スイッチ昇降圧DC/DCコントローラーをサポートします

ADIは、LT8210を導入しました。この製品は100VのVINおよびVOUT対応、パススルー機能を備えた同期型4スイッチ降圧-昇圧DC/DCコントローラです。PassThruモード、強制連続モード、パルススキップモード、およびBurst®モードで動作します。PassThruモードでは、入力電圧がユーザー設定可能な範囲内に収まっている場合に、入力電圧が直接出力に伝送されます。PassThruモードにより、スイッチングによる損失とEMIを排除し、効率を最大化します。入力電圧がパススルーウィンドウを超える場合や下回る場合、降圧または昇圧制御ループによってそれぞれ、出力が設定された最大値または最小値で維持されます。

LT8210のGATEVCCドライバは標準レベルのMOSFETを使用可能にするために10.6Vに調整されており、EXTVCCピンを通じて駆動されることで効率を向上させることができます。GATEVCCレギュレータは逆流保護機能を備えており、入力電圧が低下した場合でも規制が維持されます。単一のNチャネルMOSFETを追加することで、最大-40Vまでのオプションの逆入力保護を実現することができます。また、LT8210は高精度の電流検知アンプを内蔵しており、出力または入力の平均電流を正確に監視および制限することが可能です。

LT8210は、ピン選択可能なPassThruまたは固定出力のCCM、DCM、Burst®動作モード、そしてプログラム可能な非スイッチングPassThruウィンドウを備えています。PassThruモードでは18μAの静止電流（IQ）で99.9%の効率を実現し、VIN範囲は2.8Vから100V（起動時は4.5V）、VOUT範囲は1Vから100V、逆入力保護は最大-40V、出力電圧精度は±1.25%（-40°Cから125°C）、電流監視精度は±3%、電流制御精度は±5%です。10Vの4相NチャンネルMOSFETゲートドライバをサポートし、EXTVCC LDOはVOUTまたは外部電力レールから給電することが可能です。サイクルごとのインダクタ電流制限は±20%、降圧または昇圧モードではトップMOSFETのリフレッシュノイズがなく、固定または位相ロック可能な周波数範囲は80kHzから400kHzで、低EMIのスプレッドスペクトラム周波数変調（SSFM）に適しています。電圧正常出力/過電流モニタリング機能を備え、38リードTSSOPや40リード（6mm x 6mm）QFNパッケージで利用可能です。LT8210は、自動車、産業、通信、航空電子システム、自動車のアイドリングストップシステム、緊急通報アプリケーション、そしてISO 7637、ISO 16750、MIL-1275、DO-160に準拠したアプリケーションに適用できます。

LT8210は、いくつかの評価キットを提供しており、その中にはDC2814A-Bデモ基板があります。この基板は、高電圧かつ高効率の同期式昇降圧DC/DCコンバータで、入力電圧範囲が9Vから80V、最大負荷電流が2.5A、出力範囲が24Vから34Vとなっています。また、DC2814A-Cデモ回路は入力電圧範囲が26Vから80Vで、最大負荷電流が2A、出力範囲が36Vから56Vです。さらに、DC2814A-Aデモ回路は入力電圧範囲が8Vから80Vで、装置の起動後は3.5Vまで動作可能で、最大負荷電流が3A、出力範囲が8Vから16Vとなっています。

これらのデモボードはすべて、LT8210EUJコントローラを組み込んでおり、一定周波数電流モードアーキテクチャを利用して最大400kHzの位相同期可能な周波数を実現します。また、入力または出力電流フィードバックループをオプションで使用することで、バッテリー充電やその他の用途に対応できます。さらに、ADIは、アナログ回路のシミュレーションを向上させる機能とモデルを強化するための強力で効率的な無料シミュレーションソフトウェアであるLTspice®を提供しており、回路図キャプチャや波形ビューアを含みます。

結論

ADIによって導入された4スイッチ同期型昇降圧DC/DCコントローラ「LT8210」は、PassThruモード、強制連続モード、パルススキップモード、Burst®モードで動作し、スーパーキャパシタ駆動デバイスの効率を大幅に向上させます。この昇降圧DC/DCコントローラは、PassThru技術をサポートしており、バッテリー効率を改善し、エネルギー貯蔵システムの寿命を延ばすことで、自動車、産業、通信、航空宇宙の電子システムといったアプリケーションに理想的な選択肢となります。