ウェアラブルとモバイルデバイスの電力管理におけるUSB-Cの役割拡大

エネルギー消費はモバイルテクノロジーのトップハードルであり続けています。USB-Cは当初データ中心のコネクターとして考案されましたが、現在ではポータブルデバイスの推奨電力管理ソリューションとなっています。

スマートフォン、ウェアラブル、フィットネストラッカー、タブレット、ノートPCがよりインテリジェントになるにつれ、電力予算は拡大しています。積極的な省電力技術を用いても、これらのデバイスの多くはフルパワー使用で数時間で枯渇し、ユーザーを再び充電器探しに駆り立てます。設計者はしたがって、エネルギーニーズを正確に見積もり、高効率な電力管理回路を設計しなければなりません。

ワイヤレス充電アーキテクチャでは、必要な充電電力が重要なパラメータです。受信電力は送信電力、距離、送受信コイル間の結合、両コイルの公差に依存します。急速充電はコンシューマーエレクトロニクス市場の主要な差別化要因であり、メーカーは充電時間短縮を relentless に追求しています。

USB-Cは急速充電、超高速データ転送、HDMI、VGA、DisplayPort経由のオーディオビデオ出力をサポート。幅広いデバイスで業界標準となりつつあります。

しかしこの利便性は設計者にコストを強います：既存のすべてのポートと互換性があり、リバーシブルで、完全に相互運用可能なUSB Type-Cコネクターを作成することは、重大なエンジニアリング課題を提示します。

図1：SM58IP04単一チップ

Silicon Mitusはモバイルエレクトロニクス、LCD/OLEDディスプレイ、充電アクセサリー向けに4つの製品ファミリーを提供。ポートフォリオには、スマートフォンバッテリーと急速充電ソリューション向け電力管理IC（PMIC）、完全なUSB Type-Cモジュール、ワイヤレス充電器、ディスプレイ専用PMIC、Class-Dアンプや高性能コーデックなどのオーディオ製品が含まれます。

「これらの市場で35億個以上のICを出荷してきました」と、ソウル拠点のアナログICスペシャリスト、Silicon MitusのCEO Youm Huh氏。「自動車向けPMICとインフォテインメントオーディオモジュール、ガラスミラーを置き換えるリアビューカメラシステムの電力管理にも拡大中です。」

Silicon Mitusは最近、SM58IP04を発表：2S/3Sおよび4Sバッテリー構成向けの単一チップバックブーストUSB Type-C狭帯域VDC（NVDC）充電器。バックとブースト両モードで最大95%効率を実現し、高度な熱制御により最大6Aのバッテリー充電電流を可能にします。

「SM58IP04はコンピューティング分野で急速に採用され、コンパクトなPCBフットプリントとコスト削減で優れた性能を発揮しています」と、Business Development VPのGianfranco Scherini氏。「マルチセルバッテリー充電と完全なUSB Type-CおよびPDサポートを統合しています。」

USB Type-C標準は、電力供給と高データレートへの市場要求を満たし、リバーシブルコネクターを提供。USB Type-C Power Delivery（PD）は最大20Vで5A、最大100Wの電力供給をサポート——ノートPCと高性能周辺機器に最適。これらのレベルでの損傷を防ぐため適切な保護が不可欠です。

「高効率バックブーストトポロジーと積極的な統合への注力が実を結びました」とScherini氏。「USB Type-C電力パスとバッテリー充電を処理する単一ソリューションを顧客は評価しています。SM58IP04では、すべてのUSB Type-Cポートが同一に振る舞い、フォームファクター全体で設計柔軟性を提供。PD 3.0仕様で任意の電圧・電流組み合わせのネゴシエーションが可能になり、最大100Wの電力供給への道を開きます。」

熱管理は省電力設計の最大の障壁です。デバイス性能の進歩が放熱の賭け金を上げています。半導体メーカーにとって、パッケージ品質が熱放散と全体的システム信頼性を決定します。

「熱管理は特に、消費者がより薄くファンレスなノートPCを求める中で重要です」とHuh氏。「デバイスを安全な温度限界内に保ちながらユーザー快適性を維持しなければなりません。」

デバイスが充電器に接続されると、目標は可能な限り多くの電力をバッテリーに速やかに供給することです。ノートブックとChromebookアプリケーションでは、充電器が45-65Wを供給することが多々あります。効率損失は熱に変わり、わずか0.5%の低下でも微小PCBエリアで0.5ワットを散逸させ、局所温度を上昇させます。

図2：SM58IP04単一チップの回路レイアウト

設計者はしたがって、正確な制御を可能にし電力損失を減らす高効率アーキテクチャを優先し、デバイス寿命と性能を維持しなければなりません。

「SM58IP04は、PCBへの熱流を最大化するパッケージで、高効率と最適な熱放散の両方に対応します」とHuh氏は説明。「高効率はエンクロージャー内の発熱を減らし、全体的なシステム温度を改善します。」

継続的なR&Dを支援するため、Silicon Mitusは2017年にイタリア・パヴィアに新しいデザインセンターを開設し、熟練したアナログ設計者のプールを活用。この施設は、モバイルとノートPCアプリケーションでUSB Type-Cの完全な潜在力を解き放つ次世代バッテリー充電器を提供する装備を備えています。

「ノートPC/Chromebook用USB Type-Cバッテリー充電器と、モバイルデバイス用電圧分圧コンポーネントに投資しました」とHuh氏。「SM58IP04の出力電圧は12.5mV粒度でプログラム可能で、USB-PD 3.0の20mVステップ要件に完全準拠。ポートフォリオにより、内部電力変換をバイパスするバッテリー充電アーキテクチャが可能になり、主な損失源を排除しながらケーブル電流を3A以内に抑制——3A以上の高価なe-markedケーブルの必要性を排除。」

世界のPMIC市場はCAGR 4.6%で成長し、2026年までに564.8億ドルに達すると予測され、よりスマートで効率的な電力管理ソリューションへの需要の高まりを反映しています。