アプリケーションノート 4106

2セルバッテリパックにおけるバッテリ残量ゲージDS2786の用法


要約: スタンドアロン、オープン回路電圧(OCV)ベースの残量ゲージDS2786は単一セルのリチウムイオン(Li+、Liイオン)バッテリパック用に設計された動作電圧範囲を備えています。しかし、DS2786は標準動作回路に少し外付け部品を加えるだけで2セルバッテリパック用にも使用することができます。このアプリケーションノートはDS2786を2セルバッテリパックに使用する回路を詳細に説明します。

概要

DS2786スタンドアロン、オープン回路電圧(OCV)ベースの残量ゲージは緩和時間の後のオープン回路状態でのセル電圧に基づき、リチウムおよびポリマーバッテリの利用可能容量を推定します。OCVはIC内に格納されたルックアップ表を元に相対セル容量を決定するために使われます。この機能によってバッテリパックが挿入されてからすぐ後に正確な容量の情報が使用可能になります。

DS2786の動作電圧範囲は単一セルのLi+バッテリパック用に設計されていますが、少しの外付け部品で2セルのバッテリパックにも使うことができます。このアプリケーションノートはDS2786を2セルのバッテリパックで使用するために、2つのICの追加のみで実現する回路を詳述します。この回路は内蔵の電圧、電流、および温度測定、2つの補助電圧入力、および2線式インタフェースなどのDS2786のすべての機能を使用可能です。

回路の説明

図1はプロテクタのセル側にある2セルバッテリパックでDS2786を使用する回路を示しています。図1に示した回路には標準のDS2786回路に2つの集積回路が追加されています。低ドロップアウトリニアレギュレータ(LDO)とFETの2N7000です。

Figure 1. A circuit for using the DS2786 in a 2-cell lithium-ion/polymer pack.
図1. DS2786の2セルリチウムイオン/ポリマーパックで使用する回路。

2セルのバッテリパック電圧はDS2786のVDD電圧端子の最大動作電圧を超えるため、許容電圧としてVDDを供給するためにローパワーのレギュレータが必要です。この実例回路ではMAX1726EUK5 LDOをレギュレータ出力の供給のために使います。このレギュレータは標準の動作電流が2µAでシャットダウンモードの場合は0.7µAと少なく、バッテリ給電のアプリケーションに最適です。このLDOの5Vバージョンを使用することによって、DS2786のVDD端子の電圧がVIN端子の電圧以上であることが保証されます。LDOの入力および出力に接続されたコンデンサはデータシートでその使用が推奨されており、安定動作のために必要です。

FETの2N7000はBAT1の電圧レベルをDS2786のVIN端子に接続するために使用します。このFETによって、DS2786がパック電圧レベルの総合値の半分の測定を行うことが可能になります。FETと直列の1kΩはパック内の短絡事故の場合に電流制限をするための予防対策として配置されています。

この実例の回路ではVOUTを開放とし、AIN0とAIN1は抵抗を通してローに保持されています。これらの端子は必要に応じてDS2786のデータシートで説明されたように使用することができます。ESD保護を強化するために、SCLとSDAには150Ωの抵抗と5.6Vのツェナーダイオードを追加してあります。

動作

図1の回路が正常に動作している場合は、このプロテクタのDC端子はハイになっています。これにより、MAX1726のアクティブローのSHDN端子はハイになり、LDOがイネーブルになります。LDOがイネーブルになると5V出力がアクティブになり、DS2786がイネーブルになります。このDC端子によって2N7000のゲートもハイに駆動され、2N7000をオンにし、BAT1の電圧レベルをVINにします。DS2786がアクティブモードになると、VIN端子はサンプルされOCVをベースとした残量ゲージアルゴリズムが実行されます。SCLとSDAを通してDS2786にフルアクセスすることも可能です。

放電障害状態が発生すると、プロテクタのDC端子はローに駆動され、LDOがディセーブルになりDS2786がオフになります。また、2N7000のゲートもローに駆動され、BAT1電圧とDS2786のVIN端子間が遮断されます。DS2786はオフになっているため、バッテリパックから流れ出す電流はLDOのシャットダウン電流の0.7µA (typ)のみです。

過充電状態が起こると、プロテクタのCC端子がローに駆動されて、このため、充電用FETをオープンにします。充電用FETがオープンになると過電圧状態がLDOに印加されないように保護され、DS2786がイネーブルに留まります。

考察

DS2786はVIN端子に現れるオープン回路電圧に基づいてバッテリパックの容量を推定します。図1の回路は1個のセルの電圧しか測定しないため、DS2786のEEPROMに格納されている電圧ベースの容量ルックアップテーブルを適切に変更しなければなりません。バッテリパックの評価によって得られる電圧と容量値は2で除算した電圧レベルでEEPROMに格納しなければなりません。例えばバッテリパックが8Vで80%の残量があるとすると、格納される値は4Vで80%としなければなりません。

BAT1電圧をDS2786のVIN端子に供給する電流経路によって、BAT2ではなくBAT1のセルに対して小さい負荷を加えることになります。実験室で測定されたVINに流入する平均負荷電流はVAT1を2.5V~5Vまで変化させて5nA~9nAまでリニアに増加しました。最大が9nAとすると、1時間当たりでは9nAhの容量となり、1日当たりでは9nAh x 24 = 216nAhです。1年間ではこれは216nAh x 365 = 78.84µAhとなり、パックの寿命を10年と考えれば、78.84µAh x 10 = 788.4µAhとなります。この量のセルのミスマッチは無視することができ、バッテリパックを傷めることはありません。

まとめ

DS2786は単一セルのリチウムイオンバッテリパック用に設計されていますが、2セルのパック用に容易に変更することができます。このアプリケーションノートで説明した回路は2個の集積回路の追加と2µA (typ)の電流が余分に流れるだけです。説明した回路を実装すると、スタンドアロンのOCVベースの残量ゲージ用に2セルパックでDS2786のすべての機能を使用することが可能です。