USBケーブルの電圧降下を補償する電源IC

■問題

【 LT8698 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，電圧降下を補償する電源IC(LT8698)を使用した車載用のUSB電源回路です．LT8698は，USBケーブルの電圧降下を補償し，出力電圧を一定にする機能が内蔵されています．
　図1の電源回路とUSBソケットは，3mのUSBケーブルで接続されています．そして，そのUSBケーブルは，電源線とGND線の両方に，1mあたりの直流抵抗が50mΩの線材を使用しているとします．
　図1の回路で，負荷電流(I_L)が変化しても，USBソケットのV_BUS-GND間電圧を一定にするには，補償電流を設定する抵抗(R_CBL)の値は(a)～(d)のどれにすればよいでしょうか．

図1　電圧降下を補償する電源ICを使用した車載用のUSB電源回路⁽¹⁾
LT8698の内部ブロック図⁽¹⁾は，ケーブル電圧降下補償回路だけを記載し簡略化している．

(a) 1.5kΩ　(b) 3.1kΩ　(c) 4.6kΩ　(d) 6.2kΩ

■ヒント

　LT8698は，「USB5V」端子の電圧が5Vとなるよう，SW端子に接続された，内蔵スイッチのオン・デューティ比をコントロールします．そして，R_CDCに負荷電流に比例した電流を流すことで，USBケーブルの電圧降下を補償します．R_CDCに流れる電流は，R_CBLの値で設定することができます．V_BUS-GND間電圧が負荷電流によらず，一定になるような，R_CBLの値を計算して下さい．

■解答

(b) 3.1kΩ

　図1の回路では，R_SENで負荷電流(I_L)を検出し，R₃にI_Lに比例した電圧を発生させます．そして，R_CBLにもR₃と同じ電圧が発生します．その結果，M₂にはI_Lに比例した電流が流れ，R_CDCにはI_Lに比例した電圧(V_RCDC)が発生します．
　V_BUS-GND間電圧が負荷電流によらず，一定となるためには，V_RCDCと「ケーブル抵抗(R_CABEL)で発生する電圧」が等しくなるように設定する必要があります．これらの関係から式を立てて解くと，R_CBLの値を求める式は次式となります．
　R_CBL=R_CDC*R_SEN*46/R_CABLE
　また，3mのUSBケーブルは，1mあたりの直流抵抗が50mΩの線材を使用しているため，電源線とGND線の抵抗の合計は次式になります．
　3*50mΩ+3*50mΩ=300mΩ
　これらの定数を使用すると次式となり，R_CBLの値は3.1kΩとすればよいことになります．
　R_CBL=R_CDC*R_SEN*46/R_CABLE=2k*10m*46/300m=3.1k

■解説

●ケーブル抵抗による電圧降下の補償方法
　最近の自動車には，USBソケットを利用した充電ポートが，標準装備されていることが多くなっています．USBソケットの取り付け位置と電源回路までの距離が遠い場合，両者を接続するUSBケーブルによる電圧降下が問題となります．
　図2は，負荷両端電圧検出用の配線を追加して，ケーブル抵抗による電圧降下を補償するシステムの一例です．この方法は，ケーブル抵抗による電圧降下を精度よく補償することができますが，専用の配線の追加が必要になるという問題があります．

図2　負荷両端電圧検出用の配線を追加して，ケーブル抵抗による電圧降下を補償するシステム
専用の配線の追加が必要になる

　図3は，ケーブルに流れる電流を検出し，補償電圧を発生させることで，ケーブル抵抗による電圧降下を補償するシステムです．

図3　ケーブルに流れる電流を検出し，補正電圧を発生させて電圧降下を補償するシステム
このシステムは使用するケーブルの抵抗値がいくつか，把握しておく必要がある．

　図3では，A点の電圧が5Vになるように，スイッチ・ロジック回路が制御します．そしてB点の電圧は，A点の電圧よりもR_CDC*Icompだけ高くなります．そのため，R_CDC*Icompをケーブル抵抗*負荷電流と等しくすることで，V_BUS-GND間電圧を一定にすることができます．ただし，このシステムが正しく動作するためには，使用するケーブルの抵抗値がいくつか，把握しておく必要があります．

●電圧降下の補償回路の定数設定方法
　図4は，LT8698を使用した車載用のUSB電源回路で，図1と同じものです．この回路を使用して，ケーブル抵抗による電圧降下を補償するための，定数設定方法を考えてみます．

図4　LT8698を使用した車載用のUSB電源回路
ケーブルの電圧降下を補償するための定数設定方法を考える．

　R_SENは，負荷電流(I_L)を検出するための抵抗で，I_Lに比例した電圧(V_RSEN)が発生します．OPアンプ(OP₂)は，R₁の電圧降下がV_RSENと等しくなるように，M₁の電流をコントロールします．そのため，M₁の電流(I_M1)は式1で表すことができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　OPアンプ(OP₃)は，R₃の電圧とR_CBLの電圧が等しくなるように，M₂の電流をコントロールします．M₂の電流は式2で表すことができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　LT8698はA点の電圧が5Vになるように，SW端子に接続されたスイッチ素子のオン・デューティ比をコントロールします．そのため，B点の電圧は5VにR_CDCの電圧降下(V_RCDC)を足したものになります．また，ケーブルの電源線とGND線，両方の抵抗を足したものをR_CABLEとすると，ケーブルの電圧降下(V_CABLE)は，式3で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　V_BUS-GND間の電圧を5Vとするためには，V_RCDCとV_CABLEを等しくする必要があります．つまり，式4が成立するように定数設定をすればよいことになります．

・・・・・・・・・・・・・(4)

　式4からR_CBLを求めると，式5になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　式5に，IC内部の定数のR₁,R₃を代入すると，式6になり，これが外部定数を決定するための式になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　問題文では，USBケーブルは1mあたり50mΩの線材を使用しているため，3mのケーブルの電源線とGND線の抵抗の合計は「3*50mΩ+3*50mΩ=300mΩ」になります．これを式6に代入すると，R_CBLは式7のように3.1kΩになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)

●ケーブル電圧降下補償回路の動作を確認する
　図5は，ケーブル電圧降下補償回路の動作を，シミュレーションで確認するための回路です．スイッチング電源の部分は，リニア・モデルに置き換え，DC解析でI_Lを0.1Aから2Aまで変化させたときの動作を確認します．

図5　ケーブル電圧降下補償回路の動作を，シミュレーションで確認するための回路
スイッチング電源の部分は，リニア・モデルに置き換え，DC解析で動作を確認する．

　図6は，図5のシミュレーション結果です．横軸が負荷電流(I_L)ですが，V_BUS-G間電圧は，I_Lが変化してもほとんど変わっていません．一方，B点の電圧はI_Lが増加すると上昇しています．B点の電圧が上昇することによって，ケーブル抵抗による電圧降下を補償していることが分かります．

図6　ケーブル電圧降下補償回路のシミュレーション結果
V_BUS-G間電圧はI_Lが変化してもほとんど変わっていない．

●USB電源回路をシミュレーションする
　図7は，LT8698を使用したUSB電源回路をシミュレーションするための回路です．図1の回路と同じ定数となっています．ここでは，負荷抵抗に並列接続された電流源(I_L)の大きさを，0から1Aに急激に変化させ，V_BUS-G間の電圧を観察します．

図7　LT8698を使用したUSB電源回路をシミュレーションするための回路
電流源(I_L)の大きさを，0から1Aに急激に変化させ，V_BUS-G間の電圧を観察する．

　図8は，図7のシミュレーション結果です．V_BUS-G電圧はI_Lの立ち上がりどきと立下りどきに，若干変化していますが，それ以外は一定の電圧となっていることが分かります．

図8　LT8698を使用したUSB電源回路のシミュレーション結果
V_BUS-G電圧はI_Lが変化してもほぼ一定の電圧となっている．

　以上，LT8698を使用したUSB電源回路について解説しました．LT8698にはUSBのデータ線を保護する機能などもあります．詳しい使用方法はLT8698の仕様書を参照して下さい．

◆参考・引用*文献
(1)LT8698S仕様書，P14 BLOCK DIAGRAM：アナログデバイセズ
(2)5V出力のUSB 2.0 Type-Cに対応する車載向けソリューション，充電機能とデータ・ラインの保護機能を実現：アナログデバイセズ

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice11_031.zip

●データ・ファイル内容
Cable_Drop_Compensation.asc：図5の回路
Cable_Drop_Compensation.plt：図6のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LT8698S_USB.asc：図7の回路
LT8698S_USB.plt：図8のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル