鉛蓄電池 充電基板の作成

[onlydcx]

鉛蓄電池を充電する基板を設計した.

対象の鉛蓄電池 完全密封型鉛蓄電池 12V14Ah WP14-12SE

回路仕様
制御IC LTC4013
入力電圧 24V, 3.3V
充電電流 1.4A (0.1C)
充電方式 3ステージ充電 (P13, P16参照)

J1に24Vとマイコンを繋ぎ, J2とJ3にバッテリを接続する.
その後, Charge_ENピンをHighにすると充電が開始される仕様で設計.

また, JLCPCBのPCBAサービスを利用して発注予定のため, 各シンボルのプロパティにLCSC品番を埋め込んである.

KiCAD8で作成 PB-Charger.zip

[onlydcx]

現時点では, UVLOやOVPなどの保護機能を搭載していないが, 今後作成する切り替え回路側で実装予定である.

[yasuohayashibara]

きちんとチェックできるのは，週末になると思いますが，先に質問です．

１）J2 BATT+とJ3 BATT-間の電圧は？　12V, 24V?

あと，できるだけ図も貼ってください．
KiCADで閲覧するのは手間ですので，できるだけ手軽に閲覧していただくようにしたほうが良いと思います．

あと，明らかに間違った指摘も入っていますが，参考までにChatGPTのコメントを貼っておきます．

アップロードいただいた回路図（バッテリーチャージャー回路、LTC4013ベース）を確認し、以下の懸念点や設計上の注意点を挙げます。

🔧 1. ENABピンの電圧レベル
**ENAB（ピン4）**はCharge_EN信号で制御されていますが、抵抗分圧も保護素子もない状態で直に3.3Vロジックから駆動されています。

LTC4013のENABピンの定格（Absolute Maximum）はVIN（DCIN）に対してある程度の制約があるため、レベルシフタや分圧抵抗で保護すべき可能性があります。

確認必要：ENABピンはフルスイングのVINまで許容するか？（データシート依存）

⚡ 2. D3（TVSダイオード）の選定
D3：ESD12VD3B → 12Vクランプ／15.5V動作。
しかし、DCINは24V入力を受けており、TVSダイオードのクランプ電圧が低すぎて焼損する可能性があります。

推奨：26V以上のTVSダイオード（SMAJ24Aなど）に変更すること。

現状のままだとD3が常時導通してしまう恐れがあります。

🔋 3. バッテリ出力の電解コンデンサ定格
C18：330μF / 25V

バッテリ出力が3S Li-ion（最大12.6V）であれば良いですが、それ以上のセル数や電圧の場合は25V定格では不十分。

出力電圧に応じた耐圧に要注意（安全率×1.25～1.5倍以上）。

📏 4. 電流センス抵抗 R9
R9：20mΩ（1W）

電流センス精度や発熱に関しては問題なさそうですが、電流値に応じたシャントアンプの配置やパターン幅に注意が必要です。

高電流が流れる場合、パワーパスのレイアウトと熱対策を強化する必要があります。

🔄 5. MODE1/MODE2 ピンが未接続
MODE1, MODE2ピンがフローティング

LTC4013ではこれらピンでチャージモード（フロート電圧、バルク電流）を決定するため、未接続では動作が不定になります。

データシートの指示に従い、抵抗やGND接続が必要です。

🧯 6. D1・D2 のLED電流制限抵抗が未実装
R2とR3によりLED（D1, D2）を駆動していますが、電源3.3Vに対し10kΩでは電流が非常に少ない（≒0.3 mA）ため、

LEDが暗い／点灯しない可能性あり。

通常は1kΩ程度の抵抗が妥当。

🧩 7. PGNDとGNDの扱い
U1（LTC4013）のPGNDとSGNDが分離されていないように見えます。

パワーグランド（PGND）とシグナルグランド（SGND）はアナログ制御精度のために1点で接続すべき。

アートワーク設計時に注意が必要です。

[onlydcx]

J2(BATT+)とJ3(BATT-)の電圧は12V (最大充電時 14.202V) です。

[yasuohayashibara]

LTC4013の日本語ドキュメント
https://www.analog.com/media/jp/technical-documentation/data-sheets/LTC4013.pdf?isDownload=true

ピン番号	ピン名	機能説明
1	INFET	外付けMOSFETゲート駆動（バッテリ逆流防止）
2	DCIN	入力電源（例：24V）
3	MPPT	最大電力点追従制御（太陽電池対応、不要なら未使用）
4	FBOC	MPPT用基準電圧入力（不要ならINTVCCに接続）
5	ENAB	チャージャON/OFF制御（1.22Vで有効）
6	ISMON	充電電流のアナログモニタ出力（20倍ゲイン）
7	STAT0	充電状態インジケータ出力1（LED駆動可）
8	STAT1	充電状態インジケータ出力2
9	LB	低バッテリ検出用しきい値設定（抵抗で分圧）
10	TMR	吸収／均等充電時間設定（例：0.2μFで3時間）
11	MODE1	充電アルゴリズム選択（3段階など）
12	MODE2	MODE1と組み合わせて設定
13	CLKOUT	他デバイスとの周波数同期出力（未使用可）
14	SYNC	外部クロック入力（未使用時はGND）
15	RT	周波数設定抵抗（例：40.2kΩで1MHz）
16	ITH	制御ループ補償出力（補償用コンデンサ接続）
17	NTC	温度補償（NTCサーミスタ接続）
18	FB	バッテリ電圧分圧入力（電圧安定制御）
19	BAT	電流検出用検出抵抗の一端（充電対象）
20	SENSE	電流検出用検出抵抗のもう一端（充電制御）
21	BST	昇圧用コンデンサ接続（上側FETゲート用）
22	TG	上側MOSFETゲート駆動
23	SW	スイッチングノード（インダクタ接続）
24	BG	下側MOSFETゲート駆動
25	INTVCC	内部5Vレギュレータ出力（最大100mA）
26	PGND	電力グラウンド
27	VIN	電源供給入力（上側MOSFET含む）
28	VIN_S	入力電源の検出用ケルビン接続
29	SGND	信号グラウンド（FB、NTC等の基準）

[yasuohayashibara]

@onlydcx
チェックしました．

• R1とR2が大きすぎる．
  24Vラインに接続するのであれば適正
• LBの抵抗を確認
  標準では86.6kΩが使用されている．
  詳しい計算をしていないが適正かどうかをチェック．
• R7は大きすぎるかも．
  500kΩ程度が良さそうな気がします．
  → NTCの5Vと合わせて電圧を調整しているということですね．理解しました．おそらく変更不要です．

[onlydcx]

@yasuohayashibara @Nomura1024

修正しました。

• R1とR2を10k→1kに変更
• USB-PD入力対応の為、入力電圧を24V→20Vに変更
• LB, FB, RTの抵抗値を再計算
• シャント抵抗の値を調整
• MODEピンのプルアップを3.3V→INTVCCに変更
• GNDとGNDPWRを分離

[yasuohayashibara]

ごめんなさい．色々と指摘していますが，上で述べた通りNTCのことを考えるとR7は従来通りの方が良いかもしれません．
確信があれば大丈夫ですが，再度確認していただければと思います．

あとは気になるところはありません．

と思ったらR4も変わっていますね．
こちらもチェックしてください．従来通りで良いかもしれません．

うーん．色々と変わっているようですので，これをチェックするのは時間がかかりそうです．
野村君がチェックしてOKであれば，林原はOKです．

[onlydcx]

@yasuohayashibara

データ自体のチェックは @Nomura1024 にokを頂きましたが、基板製造見積もりが $122 (¥17527) と高額になりました。

PCBAサービスを使う上で、extended parts (追加料金がかかるパーツ) を多く採用していたのが原因で、basic parts (手数料が最も安いパーツ) に可能な限り置換する予定です。

修正を進めます。

[onlydcx]

組み立てたものの、いくつか問題が発生したのでまとめます。

ブートストラップ用ダイオードの選定ミス

順方向電圧降下が大きく(1.25V)、ゲート駆動電圧が足りなくなる
INTVCC=5Vなので、5 - 1.25 = 3.75Vとなり、ハイサイドMOSFETをターンオンできない。
対策として、手元にあったCUHS20S60(VF=0.28)に付け替えたところ動作した。

ENAB端子のプルアップ忘れ

ENABのプルアップ/プルダウンを追加し忘れ、浮いてる状態となりICの起動と停止を繰り返す。
3.3Vとの間に10kを挟み一時的に対処した。

ローサイド側のMOSFETが駆動できない

ゲートの波形を見ると、ターンオンするのに必要な電流が足りなく電圧効果を起こしてるように見える。
LTC4013はゲートドライブ能力がそこまで高くなく、特にスイッチング周波数が高い状態だと十分な電流を供給できない可能性がある。
ゲート電荷が少ないMOSFETへの交換や、ブートストラップ用コンデンサとレギュレータ用コンデンサの容量UPが必要かもしれない。

[yasuohayashibara]

林原もこのICの性能をあまり把握しておらず適切なコメントができず申し訳ありません．
ただし，開発としては興味深い内容になると思いますので，問題に関するデータを収集した上で改善してください．
必要な部品があれば発注しますので，よろしくお願いします．
少数の部品であれば，秋葉原あたりで購入して，領収書で精算した方が簡単かもしれませんが．．．

動作を確認したうえで新しい基板も発注しましょう．
（ジャンパ線で対応できる場合は，それでも構わないと思いますが．）

[onlydcx]

データシートP24に、DCIN電圧とINTVCC電流のグラフの記載があった。
INTVCCはLDOで生成しているので、入力電圧が高くなるほど損失が増え、今回のVIN=20Vでは25mA程度しか供給できていなかった。
これによってゲート駆動電流が足りずにターンオンに失敗してたと考えられる。

[onlydcx]

また、データシートには

目的の動作を実現すると内部5Vレギュレータが許容領域を外れてしまう場合は、ゲート駆動電源を外部から供給することが必要になります

との記載があり、外部からINTVCCに5Vを供給することで解決しそうに見える

[onlydcx]

FB端子とGNDの間に6.8nFのキャパシタを追加したところ、ICのゲート波形が綺麗に出力され、充電することができた。

[onlydcx]

外部電源接続時には電池充電をしながらJetsonを稼働させ、走行時は内部電源から給電するように電源を切り替える基板を設計した。

[onlydcx]

@yasuohayashibara @Nomura1024 確認お願いします。