str5a450 ds jp

非絶縁タイプ
PWM オフラインスイッチング電源用パワーIC
STR5A450 シリーズ
データシート
概要
パッケージ
STR5A450 シリーズは、パワーMOSFET と電流
モード型 PWM 制御 IC を内蔵した非絶縁タイプの
スイッチング電源用パワーIC です。
商用電源から、降圧コンバータ、極性反転型コン
バータが構成できます。
効率を向上するため、本 IC は負荷に応じて動作
モードを固定スイッチング周波数からスイッチン
グ周波数制御、バースト発振動作に自動的に切り替
えます。また、充実した保護機能により、コストパ
フォーマンスの高い電源システムを、容易に構成で
きます。
DIP8
S/OCP
1
8
D/ST
FB
2
7
D/ST
GND
3
6
D/ST
VCC
4
5
D/ST
原寸大ではありません。
STR5A450 シリーズ
特長
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
降圧コンバータ
極性反転型コンバータ
電流モード型 PWM 制御
負荷に応じた動作モードの自動切り替え
固定スイッチング周波数、60 kHz (typ.)
グリーンモード、23 kHz (typ.)~60 kHz (typ.)
バースト発振動作
起動回路内蔵
電力削減、起動時間の短縮
エラーアンプ内蔵
ランダムスイッチング機能
リーディング・エッジ・ブランキング機能
ソフトスタート機能
保護機能
過電流保護(OCP):外部電流検出抵抗で電流調整
可能、入力補正機能付き
過負荷保護(OLP):自動復帰
過電圧保護(OVP):自動復帰
ヒステリシス付き過熱保護(TSD):自動復帰
D/ST
VCC
D/ST
GND
D/ST
FB
D/ST
S/OCP
5
3
6
7
8
C4
R1
C2
C3
R2
D2
L1
ROCP
VOUT
(+)
U1
VAC
C1
D3
STR5A451D
4.0 Ω
IOUT(MAX)*
(Universal, open
frame, VOUT = 24 V)
0.7 A
STR5A453D
1.9 Ω
0.9 A
* 周囲温度 50°C における実質的な連続出力電流で
す。最大出力電流は連続出力電流の 120%~140%
程度まで出力可能です。ただし、放熱設計により
出力電流の制限を受けることがあります。
推奨電源仕様
降圧
コンバータ
極性反転型
コンバータ
入力電圧
AC 85 V~AC 265 V
D/ST 入力電圧
≥ 40 V
アプリケーション
R3
2
1
RDS(ON)
(max.)
> 11 V
> – 27.5 V
< 27.5 V
< – 11 V
*出力電圧を上げる場合は、VCC 端子にツェナーダ
イオードまたはレギュレータを追加
D1
4
製品名
出力電圧範囲*
応用回路例(降圧コンバータ、DIP8)
STR5A450D
● 代表特性
fOSC(AVG) = 60 kHz
VD/ST = 650V (max.)
C5
R4
(-)
●
●
●
●
●
白物家電
補助電源(マイコン搭載照明機器など)
モータ制御用電源(アクチュエータなど)
通信機器(DC48V から DC15V に変換可能)
その他 SMPS
TC_STR5A450_1_R1
STR5A450-DSJ Rev.1.0s
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STR5A450 シリーズ
目次
概要 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
1. 絶対最大定格 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 3
2. 電気的特性 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
3. 代表特性 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 5
3.1 ディレーティング曲線 ---------------------------------------------------------------------------- 5
3.2 MOSFET ASO 曲線 -------------------------------------------------------------------------------- 5
3.3 TA-PD1 曲線 ------------------------------------------------------------------------------------------- 6
3.4 過渡熱抵抗曲線 ------------------------------------------------------------------------------------- 6
4. ブロックダイアグラム ---------------------------------------------------------------------------------- 7
5. 各端子機能 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 7
6. 応用回路例 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 8
7. 外形図、捺印仕様 ---------------------------------------------------------------------------------------- 9
8. 動作説明 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 10
8.1 IC の起動動作 ------------------------------------------------------------------------------------- 10
8.2 低入力時動作禁止回路(UVLO) ------------------------------------------------------------ 10
8.3 電源の起動とソフトスタート機能 ----------------------------------------------------------- 10
8.4 定電圧(CV)制御 ------------------------------------------------------------------------------- 11
8.4.1
降圧コンバータの動作 -------------------------------------------------------------------- 12
8.4.2
極性反転型コンバータの動作 ----------------------------------------------------------- 12
8.5 リーディング・エッジ・ブランキング機能------------------------------------------------ 13
8.6 ランダムスイッチング機能 -------------------------------------------------------------------- 13
8.7 動作モード ----------------------------------------------------------------------------------------- 13
8.8 過電流保護機能(OCP) ----------------------------------------------------------------------- 14
8.8.1
過電流保護動作 ----------------------------------------------------------------------------- 14
8.8.2
過電流保護入力補正機能 ----------------------------------------------------------------- 14
8.9 過負荷保護機能(OLP) ----------------------------------------------------------------------- 14
8.10 過電圧保護機能(OVP) ----------------------------------------------------------------------- 15
8.11 過熱保護回路(TSD) --------------------------------------------------------------------------- 15
9. 設計上の注意点 ----------------------------------------------------------------------------------------- 15
9.1 外付け部品 ----------------------------------------------------------------------------------------- 15
9.1.1
入力、出力の平滑用電解コンデンサ--------------------------------------------------- 15
9.1.2
インダクタ ----------------------------------------------------------------------------------- 16
9.1.3 VCC 端子周辺回路 -------------------------------------------------------------------------- 16
9.1.4 FB 端子周辺回路 ---------------------------------------------------------------------------- 16
9.1.5
フリーホイールダイオード -------------------------------------------------------------- 16
9.1.6
ブリーダー抵抗 ----------------------------------------------------------------------------- 16
9.2 D/ST 端子 ------------------------------------------------------------------------------------------- 16
9.3 インダクタの L 値の計算 ----------------------------------------------------------------------- 17
9.3.1
パラメータ定義 ----------------------------------------------------------------------------- 17
9.3.2
降圧コンバータの場合 -------------------------------------------------------------------- 18
9.3.3
極性反転コンバータの場合 -------------------------------------------------------------- 23
9.4 パターン設計 -------------------------------------------------------------------------------------- 28
10. 電源回路例 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 30
10.1 降圧コンバータの場合 -------------------------------------------------------------------------- 30
10.2 極性反転型コンバータの場合 ----------------------------------------------------------------- 31
注意書き ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 32
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STR5A450 シリーズ
1.
絶対最大定格
● 電流値の極性は、IC を基準としてシンクが“+”、ソースが“−”と規定します。
● 特記がない場合は TA = 25 °C、D/ST 端子(5 番~8 番端子)はすべてショートです。
項目
ドレインピーク電流
アバランシェエネルギ耐量(1)
記号
IDPEAK
EAS
条件
端子
定格
3.6
8–1
シングルパルス
ILPEAK = 2.13 A
5A451D
5A453D
53
5A451D
mJ
72
5A453D
VS/OCP
1–3
− 2 to 5
A
FB 端子電圧
VFB
2–3
− 0.3 to 7
V
VCC 端子電圧
VCC
4–3
− 0.3 to 32
V
D/ST 端子電圧
VD/ST
4–5
− 0.3 to VDSS
V
S/OCP 端子電圧
(2)
1.68
8–1
5A451D
MOSFET 部許容損失
PD1
制御部許容損失
PD2
4–3
1.3
W
動作周囲温度
TOP
–
− 40 to 125
°C
保存温度
Tstg
–
− 40 to 125
°C
ジャンクション温度
Tj
–
150
°C
(1)
(2)
2.
備考
A
5.2
8–1
ILPEAK = 2.46 A
単位
W
1.76
5A453D
シングルパルス, VDD = 99 V, L = 20 mH
基板実装時基板サイズ 15mm×15mm
電気的特性
● 電流値の極性は、IC を基準としてシンクが“+”、ソースが“−”と規定します。
● 特記がない場合は TA = 25 °C、VCC =18 V、VD/ST = 10 V、D/ST 端子(5 番~8 番端子)はすべてショートです。
項目
記号
条件
端子
Min.
Typ.
Max.
単位
備考
電源起動動作
動作開始電源電圧
VCC(ON)
4–3
13.6
15.0
16.6
V
動作停止電源電圧
VCC(OFF)
4–3
7.3
8.0
8.7
V
動作時回路電流
ICC(ON)
VCC = 12 V
4–3
–
–
3.0
mA
起動回路動作電圧
VST(ON)
VCC = 13.5 V
8–3
21
29
37
V
起動電流
ICC(ST)
VCC = 13.5 V
4–3
– 3.0
− 1.7
– 0.9
mA
VFB
= VFB(REF)–20mV
8–3
53
60
67
kHz
Δf
8–3
–
7.1
–
kHz
VFB(REF)
2–3
2.44
2.50
2.56
V
PWM 動作
平均発振周波数
発振周波数変動幅
フィードバック基準電圧
fOSC(AVG)
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STR5A450 シリーズ
項目
記号
条件
端子
Min.
Typ.
Max.
単位
IFB(OP)
VFB = 2.3 V
2–3
− 2.4
− 0.8
−
μA
VOCP(STB)
1–3
–
0.11
–
V
DMAX
8–3
56
62
69
%
tBW
–
–
280
–
ns
DPC
–
–
15.8
–
mV/µs
DDPC
−
−
36
−
%
ゼロオンデューティ時 OCP し
きい電圧
VOCP(L)
1−3
0.640
0.735
0.830
V
OCP しきい電圧
VOCP(H)
1−3
0.74
0.83
0.92
V
LEB(tBW)時 OCP しきい電圧
VOCP(LEB)
1−3
−
1.61
−
V
OVP しきい電圧
VCC(OVP)
4–3
27.5
29.3
31.3
V
フィードバック電流
(1)
S/OCP 端子スタンバイ動作し
きい電圧(1)
最大オンデューティ
備考
保護動作
リーディング・エッジ・ブラン
キング時間(1)
過電流補正値
(1)
過電流補正制限デューティ
(1)
起動時過負荷保護遅延時間
tOLP
VFB = 0.41 V
8–3
53
70
88
ms
過負荷保護動作後回路電流
IOLP
VCC = 9 V
4–3
–
300
–
μA
tFBSH
VFB = 0.2 V
8–3
13.0
17.5
22.0
ms
tSTB(INH)
VFB = 2.6 V
8–3
2.0
3.0
4.0
ms
Tj(TSD)
–
135
–
–
°C
Tj(TSDHYS)
–
–
80
–
°C
起動時 FB 端子ショート保護遅
延時間
起動時スタンバイ動作禁止時
間
熱保護動作温度(1)
熱保護ヒステリシス
(1)
MOSFET 部
ドレイン・ソース間電圧
VDSS
IDS = 50 µA
8–1
650
−
−
V
ドレイン漏れ電流
IDSS
VDS = VDSS
8–1
−
−
50
μA
RDS(ON)
8–1
−
−
4.0
IDS = 0.4 A
−
−
1.9
–
–
250
–
–
18
オン抵抗
スイッチング・タイム
tf
8–1
Ω
5A451D
5A453D
ns
熱特性
ジャンクション-ケース間熱
抵抗(1)(2)
(1)
(2)
θj-C
5A451D
°C/W 5A453D
設計保障項目。
MIC のジャンクションとケース間の熱抵抗。ケース温度(TC)は、捺印面中央部の温度で規定。
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STR5A450 シリーズ
代表特性
3.
ディレーティング曲線
3.1
100
EAS温度ディレーティング係数 (%)
ASO温度ディレーティング係数 (%)
100
80
60
40
20
0
0
25
50
75
100
125
80
60
40
20
0
25
150
周囲温度 TA (°C)
75
100
125
150
ジャンクション温度 Tj (°C)
図 3-2 アバランシェエネルギ耐量ディレーレィング
曲線
図 3-1 ASO 温度ディレーティング係数曲線
3.2
50
MOSFET ASO 曲線
IC を使用する際は、図 3-1 より温度ディレーティング係数を求め、ASO 曲線のディレーティングを行いま
す。破線は、オン抵抗による制限曲線です。
特記がない場合の条件は TA = 25 °C、Single pulse です。
● STR5A453D
10
1
1ms
0.1
0.1ms
ドレイン電流 ID (A)
ドレイン電流 ID (A)
0.1ms
S_STR5A451D_R1
10
1
S_STR5A453D_R1
● STR5A451D
1ms
0.1
0.01
0.01
1
10
100
1000
1
ドレイン・ソース間電圧 (V)
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10
100
1000
ドレイン・ソース間電圧 (V)
5
STR5A450 シリーズ
TA-PD1 曲線
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
PD1 = 1.68 W
PD1_STR5A453D_R1
● STR5A453D
PD1_STR5A45D_R1
許容損失PD1 (W)
● STR5A451D
2.0
PD1 = 1.76 W
1.8
1.6
許容損失PD1 (W)
3.3
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
25
50
75
100
125
0
150
25
50
75
100
125
150
周囲温度 TA (°C )
周囲温度 TA (°C )
過渡熱抵抗曲線
3.4
● STR5A451D
過渡熱抵抗
TR_STR5A451D_R1
θch-c (°C/W)
10
1
0.1
0.01
1µ
10µ
100µ
1m
10m
100m
時間 t (s)
TR_STR5A453D_R1
● STR5A453D
過渡熱抵抗
θch-c (°C/W)
10
1
0.1
0.01
1µ
10µ
100µ
1m
10m
100m
時間 t (s)
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4.
ブロックダイアグラム
4
VCC
STARTUP
D/ST
5, 6, 7, 8
UVLO
OVP
REG
PROTECTION
TSD
DRV
PWM
OSC
S Q
R
OCP
Drain Peak Current
Compensation
2
FB
E/A
VFB(REF)
Feedback
Control
LEB
S/OCP
GND
1
3
BD_STR5A450_R1
5.
各端子機能
端子番号
端子名
S/OCP
1
8
D/ST
1
S/OCP
FB
2
7
D/ST
2
FB
GND
3
6
D/ST
3
GND
4
VCC
VCC
4
5
D/ST
機能
パワーMOSFET ソース
/過電流検出信号入力
定電圧制御信号入力
/過負荷保護信号入力
グランド
制御回路電源入力
/過電圧検出信号入力
5
6
7
D/ST
パワーMOSFET ドレイン
/起動電流入力
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STR5A450 シリーズ
6.
応用回路例
図 6-1、図 6-2 に降圧と極性反転コンバータの回路例を示します。
放熱効果を上げるため、D/ST 端子(5~8 番ピン)のパターンは極力広くします。
出力電圧の絶対値|VOUT|を 27.5 V 以上にする場合は、図 6-3 のように、D1 と直列にツェナーダイオード
DZ1 を接続します。定常動作時のオンデューティを最大 50%とすると、出力電圧の絶対値|VOUT|は、次項
を満たすようにします。ここで、VDZ1 は DZ1 のツェナー電圧です。
出力電圧の絶対値|VOUT|:
入力電圧に対する|VOUT|:降圧コンバータは、1 / 2 以下に降圧できます。
極性反転コンバータは、入力電圧以下に降圧できます。
STR5A450D
D/ST
VCC
D/ST
GND
D/ST
FB
D/ST
S/OCP
4
5
3
6
7
8
D1
C4
C3
R1
C2
R3
R2
2
1
D2
VOUT
(+)
L1
ROCP
U1
VAC
C1
D3
C5
R4
(-)
TC_STR5A450_2_R1
図 6-1
降圧コンバータ
STR5A450D
D/ST
VCC
D/ST
GND
D/ST
FB
D/ST
S/OCP
5
8
4
3
6
7
D1
C4
C3
R1
C2
1
VOUT
(-)
ROCP
D3
U1
VAC
R3
R2
2
C1
L1
C5
D2
R4
(+)
TC_STR5A450_3_R1
図 6-2
極性反転型コンバータ
STR5A450D
D1
DZ1
D2
(+)
VCC
4
C4
C3
GND
3
U1
図 6-3
TC_STR5A450_4_R1
出力電圧|VOUT|を上げる場合
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STR5A450 シリーズ
7.
外形図
● DIP8
備考:
1) 単位:mm
2) Pbフリー品(RoHS対応)
8.
捺印仕様
DIP8
8
5A45×D
製品名
SKYMD
1
ロット番号
Y = 西暦下一桁(0 ~ 9)
M = 月 (1 ~ 9、O、N、D)
D = 日(1 ~ 3)
1 : 1日~10日
2 : 11日~20日
3 : 21日~ 31日
管理番号
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STR5A450 シリーズ
動作説明
特記のない場合の特性数値は Typ.値を表記しま
す。電流値の極性は、IC を基準として、シンクを“+”、
ソースを“−”と規定します。
以下の説明において、降圧と極性反転コンバータ
の共通項目は降圧コンバータを用いて行います。
VCC 端子周辺回路を図 9-1 に示します。
U1
ISTRTUP
STARTUP
Contro1
起動時
D1
D2
定常動作時
4
VCC
C4
GND
C3
3
5~8
C1
L1
1
低入力時動作禁止回路(UVLO)
VCC 端子電圧と回路電流 ICC の関係を図 9-2 に示
し ま す 。 VCC 端 子 電 圧 が 動 作 開 始 電 源 電 圧
VCC(ON) = 15.0 V に達すると、制御回路が動作を開始
し、回路電流が増加します。制御回路動作後、VCC
端子電圧が動作停止電源電圧 VCC(OFF) = 8.0 V に低下
すると、低入力時動作禁止(UVLO:Undervoltage
Lockout)回路により、制御回路は動作を停止し、再
び起動前の状態に戻ります。
VOUT
(+)
ROCP
S/OCP
D/ST
(2)
9.2
IC の起動動作
9.1
ダイオード D1、D2、D3 の順方向電圧を VFD1、
VFD2、VFD3 とすると、定常時の VCC 端子と GND 端
子間の電圧は式(2)で算出できます。
回路電流 ICC
D3
C5
R4
停止
(-)
図 9-1
起動
9.
VCC 端子周辺回路(降圧コンバータ)
VCC(OFF)
本 IC は起動回路を内蔵し、起動回路は D/ST 端子
に接続しています。D/ST 端子の電圧が起動回路動
作電圧 VST(ON) = 29 V になると起動回路が動作しま
す。
IC 内部で定電流化した起動電流 ICC(ST) = − 1.7 mA
は、図 9-1 のように VCC 端子に接続した電解コン
デンサ C4 を充電し、VCC 端子電圧が動作開始電源
電圧 VCC(ON) = 15.0 V まで上昇すると、制御回路が動
作を開始します。
電源起動後、起動回路は自動的に IC 内部で遮断
するため、起動回路による電力消費はなくなります。
なお、IC の起動時間の概算値は次式で算出します。
(1)
ここで、
tSTART
:IC の起動時間 (s)
VCC(INT) :VCC 端子の初期電圧 (V)
内部のパワーMOSFET がターンオフすると、出力
電圧 VOUT が D1、D2 を通って C4 を充電します
(図 9-1 参照)。
VCC端子
VCC(ON) 電圧
図 9-2 VCC 端子電圧と回路電流 ICC
9.3
電源の起動とソフトスタート機能
ソフトスタート機能は、パワーMOSFET およびフ
リーホイールダイオード D3 の電圧、電流ストレス
を低減します。
図 9-3 に起動時の動作波形を示します。
IC の起動後、ソフトスタート動作を開始できるよ
うにスタンバイ動作禁止時間 tSTB(INH)を設け、バース
ト発振動作を禁止しています。ソフトスタート動作
期間は、IC 内部で約 10.2 ms に設定されており、こ
の期間に過電流しきい値が 7 段階でステップアップ
します。IC は出力電圧が設定電圧になるまで、FB
端子電圧に応じた周波数でスイッチング動作をし
ます。
IC が起動してから、FB 端子電圧が 1.6 V になる
までの時間を tLIM とすると、tLIM が起動時過負荷保
護遅延時間 tOLP = 70 ms 以上になると、IC は発振を
停止します。そのため、tLIM は、tOLP 未満になるよう
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に、出力の電解コンデンサ(図 9-1 の C5)の容量
を調整します。
なお、図 9-4 のように VCC 端子電圧が VCC(OFF)に
達し、起動不良になる場合は、C4 の容量を大きく
したり、出力の電解コンデンサ C5 の容量を小さく
したりします。なお、容量を大きくすると IC の起
動時間が長くなるので、最終的に実機で動作を確認
し、定数を調整します。また、ソフトスタート動作
期間は、9.5 項のリーディング・エッジ・ブランキン
グ機能が無効になるため、tBW = 280 ns 未満のオン時
間になる場合があります。
定電圧(CV)制御
9.4
出力電圧の定電圧(CV)制御は、過渡応答および安
定性に優れたピーク電流モード制御を使用してい
ます。本 IC は、電流検出抵抗 ROCP の両端電圧
(VROCP)
と目標電圧(VSC)を内部の FB コンパレータで比較
し、VROCP のピーク値が VSC に近づくように制御し
ます。Feedback Control 回路には、FB 端子電圧をエ
ラーアンプで反転した電圧(目標電圧 VSC)が入力
されます。(図 9-5、図 9-6 参照)。
U1
Feedback
Control
ICの起動
VCC端子
電圧
FB comp
電源の起動
定常状態
+
VSC
E/A
FB
+
-
R2 R3
2
R1
tSTART
GND 3
PWM
Control
VCC(ON)
L1
VOUT
(+)
ROCP
S/OCP 1
5~8 D/ST
VCC(OFF)
C3
tSTB(INH)
VROCP
時間
ILON
D3
C1
R4
C5
ソフトスタート動作期間
約10.2ms(内部固定)
D/ST端子
電流, ID
(-)
図 9-5 FB 端子周辺回路(降圧コンバータ)
時間
tLIM < tOLP
FB端子電圧
VFB(REF)
1.6V
-
VSC
+
VROCP
FBコンパレータ
ROCPの両端電圧
時間
図 9-3
VCC端子電圧
ドレイン電流
ION
起動タイミング動作
IC動作開始
図 9-6
起動成功
定常時の ID と FB コンパレータ動作
設定電圧
VCC(ON)
出力電圧の
立ち上がりによる上昇
VCC(OFF)
起動不良時
時間
ICの起動時間 tSTART
図 9-4
起動時の VCC 端子電圧
● 負荷が減尐するとき
負荷が減尐すると、出力電圧の上昇に伴い FB 端
子電圧は上昇します。これにより、目標電圧 VSC
(エラーアンプ E/A の出力電圧)が下がるため、
VROCP のピーク値が低下するように制御します。
その結果、ドレイン電流のピーク値が減尐し、出
力電圧の上昇を抑えます。
● 負荷が増加するとき
負荷が増加すると、前記の逆の動作になり、目標
電圧 VSC が高くなるため、ドレイン電流のピーク
値が増加し、出力電圧の低下を抑えます。
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降圧コンバータの動作
9.4.1
図 9-7 に降圧コンバータの場合の負荷電流経路、
図 9-8 にその動作波形を示します。
U1
D1
Contro1
VCC 4
D2
C4
FB 2
C3
GND 3
5~8
1
IL
ROCP
VOUT
(+)
L1
VL
C1
VIN
ILON
(MOSFET ON)
D3
2) PWM オフ期間
パワーMOSFET がターンオフすると、L1 に蓄え
たエネルギにより逆起電力が発生し、フリーホ
イールダイオード D3 は順方向にバイアスされ、
ターンオンします。これにより図 9-7 の ILOFF で
示す経路を通って電流が流れます。
図 9-8 の平均発振周期 1 / fOSC(AVG)が経過すると、
出力 MOSFET が再度ターンオンし、1)の PWM
オン期間が開始します。
ILOFF
(MOSFET OFF)
R4
C5
出力電流は、インダクタ L1 に流れる IL の平均値
になります。
極性反転型コンバータの動作
9.4.2
(-)
負荷電流経路(降圧コンバータ)
VL
MOSFET
ON
OFF
U1
ON
VIN-VRON-VOUT
D1
VCC 4
Contro1
図 9-7
図 9-9 に極性反転型コンバータの場合の負荷電流
経路、図 9-10 にその動作波形を示します。
C4
FB 2
C3
GND 3
0
5~8
t
-(VOUT+VFD3)
IL
1
C1
ILON
(MOSFET ON)
VIN
t
D2
D3
ROCP
VL
VOUT
(-)
C5
IL ILOFF
(MOSFET OFF)
R4
L1
ILON
(+)
t
ILOFF
図 9-9
負荷電流経路(極性反転型コンバータ)
t
1/fOSC(AVG)
図 9-8
降圧コンバータの動作波形
VL
MOSFET
ON
OFF
VIN-VRON
t
0
-(VOUT+VFD3)
降圧コンバータの場合の PWM 制御を以下に示し
ます。
1) PWM オン期間
パワーMOSFET がオンすると、図 9-7 の ILON で
示す経路に電流が流れ、インダクタ L1 にエネル
ギを蓄えます。このとき、電流検出抵抗 ROCP に
ILON が流れ、この電流を ROCP の両端電圧 VROCP
として検出します。また、FB 端子は、C3 の両
端電圧を抵抗分圧した電圧を入力し、この電圧
から目標電圧 VSC を作ります。電流検出電圧
VROCP が VSC に達したときにパワーMOSFET を
ターンオフします。
ON
IL
t
ILON
t
ILOFF
t
1/fOSC(AVG)
図 9-10
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極性反転型コンバータの動作波形
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極性反転型コンバータの場合の PWM 制御を以下
に示します。
1) PWM オン期間
パワーMOSFET がオンすると、図 9-9 の ILON で
示す経路に電流が流れ、インダクタ L1 にエネル
ギを蓄えます。このとき、電流検出抵抗 ROCP に
ILON が流れ、この電流を ROCP の両端電圧 VROCP
として検出します。また、FB 端子は、C3 の両
端電圧を抵抗分圧した電圧を入力し、この電圧
から目標電圧 VSC を作ります。電流検出電圧
VROCP が VSC に達したときにパワーMOSFET を
ターンオフします。
2) PWM オフ期間
パワーMOSFET がターンオフすると、L1 に蓄え
たエネルギにより逆起電力が発生し、フリーホ
イールダイオード D3 は順方向にバイアスされ、
ターンオンします。これにより図 9-9 の ILOFF で
示す経路を通って電流が流れます。
図 9-10 の平均発振周期 1 / fOSC(AVG)が経過すると、
出力 MOSFET が再度ターンオンし、1)の PWM
オン期間が開始します。
出力電流は、インダクタ L1 に流れる ILOFF の平均
値になります。
9.5
リーディング・エッジ・ブランキン
グ機能
出力電圧の定電圧(CV)制御はピーク電流モード
制御方式を使用しています。ピーク電流はパワー
MOSFET のドレイン電流を電流検出抵抗 ROCP で検
出しています。パワーMOSFET がターンオンした直
後に急しゅんなサージ電流が生じ、これに過電流保
護回路(OCP)が応答すると、パワーMOSFET がオフ
することがあります。これを防ぐためパワー
MOSFET がターンオンした瞬間からリーディン
グ・エッジ・ブランキング時間 tBW = 280 ns は過電
流保護動作の OCP しきい電圧を上げ、OCP に応答
しにくくしています(9.8.1 項参照)。
9.6
平均発振周波数 fOSC(AVG)にランダムな周波数の微
変動を重畳する機能を内蔵しています。
これにより、この機能がない製品と比較し、雑音
端子電圧(コンダクションノイズ)が低減するため、
入力部のノイズフィルタなどを簡略化できます。
9.7
動作モード
図 9-12 に示すように、出力電力が減尐するとパ
ワーMOSFET のドレイン電流の減尐と共に自動的
に、動作モードを、固定スイッチング周波数
(60 kHz)、スイッチング周波数制御のグリーンモー
ド (23 kHz~60 kHz)、および内部発振器によるバー
スト発振動作に切り替えます。
グリーンモードはスイッチング回数が減尐、バー
スト発振動作は一定期間スイッチング動作が停止
することで、スイッチング損失を低減し、効率を改
善します(図 9-13 参照)。
負荷が軽くなると FB 端子電圧が上昇し、S/OCP
端子電圧が S/OCP 端子スタンバイ動作しきい電圧
VOCP(STB) = 0.11 V に達すると、バースト発振動作に
移行します。
図 9-13 のように、バースト発振動作時は発振期間
と発振停止期間があります。発振期間は約 23 kHz
でスイッチング動作をします。
発振周波数
fOSC
60kHz
通常動作
約23kHz
バースト
発振動作
グリーン
モード
出力電力PO
図 9-12
ID
tBW
ランダムスイッチング機能
負荷に応じた発振周波数
発振期間
発振停止期間
ROCP電圧
約23 kHzでスイッチング動作
ターンオン時のサージ電圧幅
図 9-11
図 9-13
時間
バースト発振動作波形
リーディング・エッジ・ブランキング時間
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9.8.1
過電流保護機能(OCP)
1.0
過電流保護動作
過電流保護機能(OCP:Overcurrent Protection)は、
パワーMOSFET のドレインピーク電流により電流
検出抵抗 ROCP 電圧が OCP しきい電圧に達すると、
パワーMOSFET をターンオフして電力を制限しま
す(パルス・バイ・パルス方式)。
図 9-11 に示すリーディング・エッジ・ブランキン
グ時間 tBW 中の OCP しきい電圧は、通常のしきい電
圧より高い VOCP(LEB) = 1.61 V に設定されています。
しきい電圧を高くすることで、ターンオン時のドレ
イン電流サージに応答しにくくしています。この過
電流保護は、出力短絡時などの保護として動作しま
す。ターンオン時に S/OCP 端子に生じるサージ電圧
の幅は、tBW 未満、サージ電圧のピークは VOCP(LEB)
未満にする必要があります。サージ電圧を抑えるた
め、電流検出抵抗 ROCP のパターンレイアウトは注
意が必要です。10.4 パターン設計の項を参照し、レ
イアウトを設計します。
9.8.2
過電流保護入力補正機能
一般的な PWM 制御 IC は、制御系を含めた回路
に伝播遅延時間があります。そのため、電源の入力
電圧が高くドレイン電流傾斜が急しゅんなほど、実
際に流れるドレイン電流のピークは高くなり、検出
電圧は OCP しきい電圧よりも高くなります。この
ように、OCP 動作時のドレイン電流のピークは、入
力電圧の変化に対してバラツキが生じる傾向があ
ります。このバラツキを低減するため、入力補正機
能を内蔵しています。
入 力補 正機 能とは 、電 源入 力電 圧に 応じて 、
図 9-14 のように、OCP のしきい電圧を補正する機
能です。
入力電圧が低いときは、OCP しきい電圧が高くな
るように制御し、入力電圧が高いときとのドレイン
電流ピークの差を小さくします。補正後の OCP し
きい値は、オン時間 6 µs 以上のときは VOCP(H) = 0.83
V、6 µs 未満のときは次式(3)の VOCP になります
V
補正後のOCPしきい電圧 VOCP
9.8
V
103
VOCP(H)
VOCP(L)
0.5
図 9-14
9.9
0
6
オン時間 (µs)
オン時間と補正後の VOCP
過負荷保護機能(OLP)
過電流保護機能(OCP)により MOSFET のドレイン
電流を制限するため、出力電圧は図 9-15 のような特
性になります。
過負荷状態で出力電圧が低下すると、FB 端子電
圧が低下します。FB 端子電圧が、1.6V 未満の状態
を起動時過負荷保護遅延時間 tOLP = 70 ms 継続する
と、過負荷保護機能(OLP:Overload Protection)が
動作してスイッチング動作を停止します。スイッ
チング動作が停止すると、VCC 端子電圧は VCC(OFF)
まで低下し、制御回路は動作を停止します。その後、
起動回路が動作し、起動電流の供給により VCC(ON)
まで上昇すると、制御回路が再び動作します。この
ように、過負荷状態のときは UVLO による間欠発振
動作を繰り返します(図 9-16 参照)。
この間欠発振動作により発振回数が減るため、パ
ワーMOSFET やフリーホイールダイオードなどの
部品ストレスを低減します。さらに、間欠動作中の
消費電力を小さくできます。過負荷の要因を取り除
くと、通常の動作に自動復帰します。
出力電圧
VOUT
CVモード
(3)
ここで、
VOCP(L) :ゼロオンデューティー時 OCP しきい
電圧 (V)
DPC
:過電流補正値 ( mV/µs)
ONTime :MOSFET のオン時間 (µs)
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出力電流IOUT
図 9-15
過負荷特性
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ジャンクション温度 Tj
発振停止期間
VCC端子電圧
VCC(ON)
復帰
TSD動作
Tj(TSD)
Tj(TSD)−Tj(TSD)HYS
VCC(OFF)
ドレイン電流, ID
tOLP
バイアスアシスト
機能
tOLP
ON
OFF
OFF
VCC端子電圧
図 9-16
VCC(ON)
VCC(BIAS)
VCC(OFF)
OLP 動作波形
ドレイン電流
ID
9.10 過電圧保護機能(OVP)
VCC 端子と GND 端子間に、OVP しきい電圧
VCC(OVP) = 29.3 V 以上を印加すると、過電圧保護機
能(OVP:Overvoltage Protection)が動作し、スイッ
チング動作を停止します。OVP 動作時は ULVO に
よる間欠発振動作を繰り返します(ULVO による間
欠発振動作は 9.9 項を参照)。過電圧の要因を取り
除くと、通常の動作に自動復帰します。
図 9-1 の D1、D2、D3 のダイオードの順方向電圧
をそれぞれ VFD1、VFD2、VFD3 とすると、OVP が動作
する出力電圧 VOUT(OVP)の概算値は、次式になります。
VOUT(OVP)は VOUT(+)と VOUT(−)の間の電圧です。
(4)
図 9-17 TSD 動作波形
10. 設計上の注意点
10.1 外付け部品
各部品は使用条件に適合したものを使用します。
必要に応じディレーティングを考慮します。
図 10-1 に降圧コンバータの IC 周辺回路を示しま
す。
D1
9.11 過熱保護回路(TSD)
図 9-17 に TSD 動作波形を示します。IC の制御回
路部のジャンクション温度が、熱保護動作温 度
Tj(TSD) = 135 °C (min.)以上に達すると、過熱保護機能
(TSD)が動作し、スイッチング動作を停止します。
TSD には温度ヒステリシスがあります。ジャンク
ション温度が Tj(TSD)−Tj(TSD)HYS より高いときは、VCC
端子電圧が約 9.4 V まで低下すると起動回路が動作
し起動電流を供給するバイアスアシスト機能によ
り VCC 端子電圧を VCC(OFF)以上に保持して、停止状
態を継続します。Tj(TSD)−Tj(TSD)HYS 以下になると、バ
イアスアシスト機能が無効になるため、VCC 端子電
圧が VCC(OFF)以下に低下して、制御回路は動作を停
止します。その後、起動回路が動作し、起動電流の
供給により VCC(ON)まで上昇すると、制御回路が再び
動作します。このように、TSD 動作時は TSD と
ULVO による間欠発振動作を繰り返します。
過熱の要因を取り除くと、通常の動作に自動復帰
します。
D/ST
VCC
D/ST
GND
5
3
6
7
8
4
D/ST
FB
D/ST
S/OCP
C4
R1
C2
C3
R2
R3
2
1
D2
VOUT
(+)
L1
ROCP
U1
VAC
C1
D3
C5
R4
(-)
図 10-1
降圧コンバータの IC 周辺回路図
10.1.1 入力、出力の平滑用電解コンデンサ
電解コンデンサは、リップル電流・電圧・温度上
昇に対し、適宜設計マージンを設けます。
出力の電解コンデンサ C5 の容量は、リップル電
圧仕様を満足し、かつ起動時に出力立ち上がり時間
が起動時過負荷保護遅延時間 tOLP = 70 ms より十分
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に短くなる容量を選択します。電解コンデンサはス
イッチング電源設計に適した、低 ESR タイプを推奨
します。C5 の ESR は次式を満たすものを選択しま
す。
R2、R3 の定数は実機で動作を確認しながら、定数
を調整します。
D2、D3 の順方向電圧 VF は、出力電圧に影響を与
えるため、極力 VF が小さいものを使用します。
(5)
ここで、
ZCO:動作周波数における出力電解コンデンサの
ESR(一般的なカタログに記載している ESR は
100 kHz 規定している場合が多いため、周波数特
性を確認する必要があります)
ΔVOR:出力リップル電圧仕様
ILRP:インダクタのリップル電流(10.3 項参照)
(6)
ここで、
VFD2 :D2 の順方向電圧
VFD3 :D3 の順方向電圧
10.1.2 インダクタ
10.1.5 フリーホイールダイオード
銅損・鉄損による温度上昇に対し、適宜マージン
を設けます。また、インダクタは磁気飽和しないよ
うに設計します。インダクタンス値は、10.3 項を参
考に、マイナス側許容誤差や直流重畳のインダク
タンス低下を考慮した最小値で検討します。なお、
IC が定電圧制御をするためにはリーディング・エッ
ジ・ブランキング時間よりもオン時間を長くする必
要があります。ユニバーサル入力で設計する場合、
AC 入力電圧が最大の軽負荷時にオン時間が短くな
りやすいので、インダクタの値を小さくしすぎない
ように注意します(100 μH 以上を推奨)。
図 10-1 の D3 はフリーホイールダイオードです。
パワーMOSFET がターンオフする際、D3 にはリカ
バリー電流が流れます。このリカバリー電流は回路
の損失やノイズに大きな影響を与えます。また、VF
は出力電圧に影響を与えます。このため、フリーホ
イールダイオードは、高速リカバリー特性で、極力
順方向電圧 VF が小さいものを使用します。
10.1.3 VCC 端子周辺回路
IC の起動時間は、図 10-1 の C4 のコンデンサ容
量で決まり、一般的な電源仕様の場合、10 μF~47 μF
程度です。起動時間は 9.1 項を参照。
10.1.6 ブリーダー抵抗
軽負荷で使用する場合は、出力電圧の上昇を防止
するため、図 10-1 のように、出力平滑電解コンデン
サ C5 の両端にブリーダー抵抗 R4 を挿入します。
R4 は、次式(7)を満たす抵抗値を接続し、実機で動
作を確認して値を調整します。
(7)
10.1.4 FB 端子周辺回路
図 10-1 のように、FB 端子は、出力電圧 VOUT(+)
と GND 端子間電圧を抵抗分圧した電圧を入力しま
す。
C3 は平滑コンデンサです。C3 の容量は出力の電
解コンデンサ C5 の値に依存します。通常、C3 の容
量は 0.022 μF~0.22 μF 程度です。容量を大きくする
と軽負荷時のラインレギュレーション特性は向上
しますが、ダイナミック負荷変動時の応答が遅くな
るため、注意が必要です。
R1、R2、R3 は FB 端子の基準電圧 VFB(REF) = 2.50 V、
出力電圧 VOUT などで決まり、次式(6)の関係があり
ます。R1 の定数は 10 kΩ~22 kΩ 程度が目安です。
10.2
D/ST 端子
図 10-1 の D/ST 端子の内部に接続しているパ
ワーMOSFET は、D/ST 端子電圧および電流が、絶
対最大定格を超えると破壊する可能性があります。
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IOUT:出力電流
VRON:内部パワーMOSFET のオン電圧、
ドレイン電流×RDS(ON)
VFD1:D1 の順方向電圧
VFD2:D2 の順方向電圧
VFD3:D3 の順方向電圧
VDZ1:DZ1 のツェナー電圧
| VOUT |を 27.5 V 以上にするときにツェ
ナーダイオードまたはレギュレータを追
加。損失に留意。
ROCP:S/OCP 端子と GND 端子間の電流検出抵抗値
10.3 インダクタの L 値の計算
本計算はあくまでも机上計算のため、マージンの
配慮や実機による動作確認が必要です。
PMW 制御は、図 10-2 に示す 3 つの動作モードが
あります。動作モードごとに特長があるため、動作
モードの選定に配慮が必要です。
表 10-1 に、同一入出力仕様条件とした 3 つの動
作モードの比較を示します。
表 10-1 動作モードの比較
POW
L
ILR
PRD(ON)
PSW
CCM
Large
Large
Small
Small
Large
CRM
Middle Middle Middle Middle Small
DCM
Small
Small
Large
Large
次の項目中、数値がないものは、2.電気的特性を
参照。
DON_MAX:定常動作時のオンデューティの最大値 0.5
KRP_MIN:0.4
VST_MAX:VST(ON)の Max.値
VDC(MAX):直流入力電圧上限推奨値、400 V
VCC_MIN:VCC 端子最小値、10 V
VCC(OVP)_MIN:VCC(OVP)の Min.値
IDLIM:IDPEAK のディレーティングを 90 %とした
より小さい値
fTYP:fOSC(AVG)の Typ.値
fMIN:最小発振周波数、23 kHz
VOCP(L)_MIN :VOCP(L) の Min.値
VOCP(L)_TYP :VOCP(L) の Typ.値
VOCP(H)_MIN :VOCP(H) の Min.値
VOCP(H)_TYP :VOCP(H) の Typ.値
VOCP(H)_MAX :VOCP(H) の Max.値
VOCP(STB):VOCP(STB)の Typ.値
DPC:DPC の Typ.値
Small
表 10-1 において、
CCM:電流連続モード、
CRM:電流臨界モード、
DCM:電流不連続モード
POW:許容電力、L:L1 のインダクタンス、
ILR:インダクタリップル電流、
PRDS(ON):パワーMOSFET 導通損失、
PSW:スイッチング損失
10.3.1 パラメータ定義
次の項目は、図 6-1 降圧コンバータ、図 6-2
性反転型コンバータの回路図を参照。
VDCIN_MIN:C1 位置の直流入力電圧下限
VDCIN_MAX:C1 位置の直流入力電圧上限
VOUT:出力電圧
CCM
極
CRM
DCM
ILU
ILU
ILU
ILR
ILR
ILR
ILL
0A
tON
tOFF
1/fSW
tON
tOFF
1/fSW
I
KRP = LR
ILU
図 10-2
tON tOFF tD
1/fSW
PWM 制御の動作モード
ここで、
fSW: スイッチング周波数、tON: オン時間、tOFF: オフ時間、tD: 不連続時間
ILU: インダクタ電流上限、ILL: インダクタ電流下限、ILR: インダクタリップル電流
KRP: インダクタ電流のリップルと上限の比率
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10.3.2 降圧コンバータの場合
(B-1) 入出力条件
パラメータの定義は、10.3.1 項を参照。
VDCIN_MIN
下限値は VST_MAX か
の高い方の電圧以上、上限値は VDC(MAX) 以下
VDCIN_MAX
VOUT
。なお、過電流保護機能(OCP)の設定にも影響を受けます
IOUT
VDZ1
ROCP
下限値は 0 か
の高い方の電圧以上、
上限値は
下限値は ROCP(L) =
以上
(B-2) 計算方法
入出力仕様からインダクタンス LCALC 値を求める
方法と、インダクタンス LUSER 値を指定してパラ
メータを求める方法に分けて説明します。
● CRM モードの場合
IOUT 条件:
● DCM モードの場合
オンデューティ DDCM1 を
(B-2-1) 入出力仕様からインダクタンス LCALC 値を
求める方法
VDCIN_MIN のときの動作モードを選択して LCALC を
求め、これを用いて VDCIN_MIN と VDCIN_MAX 双方のパ
ラメータを求める。
の範囲内で指定します。
IOUT 条件:
(B-2-1-1) VDCIN_MIN のときのパラメータ
(B-2-1-1-3) インダクタ電流
(B-2-1-1-1) 連続動作時のオンデューティ DCCM1
オンデューティを DON1、インダクタ電流の上限を
ILH1、下限を ILL1、リップル電流を ILR1 で表示します。
● CCM モードの場合
DCCM1 条件:< 0.5
(B-2-1-1-2) 動作モードと KRP1 または DDCM1 の指定
● CCM モードの場合
インダクタ電流のリップルと上限の比率 KRP1 を
次の範囲内で指定します。
IOUT 条件:
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● CRM モードの場合
ここで、
のときは、fSW1 を fMIN、
のときは、fSW1 を fTYP にします。
(B-2-1-1-6) オン時間 tON1
● DCM モードの場合
選択した動作モードの DON1 と fSW1 より、
tON1 < 500 ns の場合は、tON1 を大きくするため、
(B-2-1-1-4)項の対策 1 を行います。
(B-2-1-1-7) OCP しきい値 VOCP1
(B-2-1-1-4) 電流検出抵抗暫定上限値 ROCP(H)_TMP1
上限の暫定値 ROCP(H)_TMP を次式から求める。
ROCP は次の暫定範囲になります。
tON1 により VOCP1 を求める。
● 6 µs 以上のときは、VOCP1 = VOCP(H)_MIN
● 6 µs 未満のときは、
ここで、DPC (mV/µs)、tON1 (µs)
(B-2-1-1-8) 電流検出抵抗 ROCP
VDCIN_MIN 時の ROCP の範囲の上限値は、
この範囲を設けられない場合は、次の対策 1 を行
います。
● 対策 1
CCM モードの場合:KRP1 を小さく、または IOUT
を小さく設定し直す。
CRM モードの場合:CCM モードに選択し直す。
DCM モードの場合:DDCM1 を大きくするか、CRM
または CCM モードに選択し直す。
設定変更後、(B-1) 入出力条件から再計算します。
ROCP の設定は、前述の範囲内から決めます。
ROCP により、発振周波数 fSW1 や OCP 時のピーク
電流が変わります。ROCP が小さいと fSW1 が低く、
ピーク電流が増加します。
ROCP は次の範囲になります。
この範囲を設けられない場合は、(B-2-1-1-4)項の
対策 1 を行います。
ROCP が前述の範囲外のときは、ROCP を設定し直し、
(B-2-1-1-5)項から再計算します。
(B-2-1-1-9) インダクタンス LCALC
選択した動作モードの ILH1 と ILL1、fSW1 より、
(B-2-1-1-5) 発振周波数 fSW1
選択した動作モードの ILH1 と ROCP により、fSW1 は
次の式と条件から求める。
とすると
マイナス側許容誤差や直流重畳のインダクタン
ス低下を考慮した最小値。
LCALC < 100 µH の場合は、LCALC を大きくするため、
(B-2-1-1-4)項の対策 1 を行います。
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(B-2-1-1-10) ドレイン電流、インダクタ電流の実効
値:IDRMS1、ILRMS1
パワーMOSFET のオン抵抗 RDS(ON)による導通損
失は、
インダクタの定格電流値に相当。
(B-2-1-2) VDCIN_MAX 時のパラメータ
3) fSW2 を ILH2 と次の条件から求める。
ここで、
fSW2 < fMIN のときは、fSW2 を fMIN、
fTYP < fSW2 のときは、fSW2 を fTYP にして、
ILH2 を次式から求め直します。
fSW2 が fMIN ≤ fSW2 ≤ fTYP のときは、ILH2 は前述 2)の
値です。
ILH2 ≥ IDLIM の場合は、ILH2 を小さくするため、
(B-2-1-1-4)項の対策 1 を行います。
4) ILL2 を次式から求める。
(B-2-1-2-1) 連続動作時のオンデューティ DCCM2
5) 動作モードを次の判定条件から求める。
DCCM2 条件:< 0.5
● ILL2 > 0 の場合は、CCM モード
● ILL2 = 0 の場合は、CRM モード
● ILL2 < 0 の場合は、DCM モード
(B-2-1-2-2) 動作モードの判定
(B-2-1-2-3) 動作モードごとの DON2、fSW2、ILH2、ILL2
1) まず、以下の係数を求める。
(B-2-1-1-8)項の ROCP 設定値と(B-2-1-1-9)項で求
めた LCALC を使用し、
(B-2-1-2-2)項の 5)の動作モード結果により、DON2、
fSW2、ILH2、ILL2 の求め方が異なります
● CCM モードの場合
fSW2 は(B-2-1-2-2)項 3)の fSW2
ILH2 は、(B-2-1-2-2)項 3)の ILH2
ILL2 は、(B-2-1-2-2)項 4)の ILL2
2) ILH2 を次式から求める。
● CRM モードの場合
fSW2 は(B-2-1-2-2)項 3)の fSW2
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● DCM モードの場合
1) 次式の fSW2 を変数とする ILH_f と ILH_DCM、CRM
モード条件の ILH2_CRM をグラフにして、fSW2 と
DCM モードの ILH2 を求める。
2) fSW2 を求める。
図 10-3 のように ILH2_f と ILH2_DCM の交点の fSW が
fMIN と fTYP の範囲内のときは、その値を fSW2 に設
定し、図 10-4 のようにオーバしたときはオーバ
側の fMIN または fTYP を fSW2 に設定します。
3) DON2 を求める。
DDCM2 条件:< DCCM2
I LH (A)
5
I LH2_f
ILH_f
4
4) ILH2、ILL2、ILR2 を求める。
2)項で求めた fSW2 と ILH2_DCM 曲線の交点が ILH2 に
なります。なお、ILH2 は次式からも求めることが
できます。
I LH2_DCM
ILH_dcm
3
I LH2_CRM
ILH_crm
2
f MIN
fmin
1
f TYP
fmax
(B-2-1-2-4) ILH2
0
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 f SW (kHz)
図 10-3 DCM の fSW2 と ILH2 のグラフ
ILH_f と ILH_DCM の交点が fMIN~fTYP の範囲内
ILH2 ≥ IDLIM の場合は、ILH2 を小さくするため、
(B-2-1-1-4)項の対策 1 を行います。
(B-2-1-2-5) オン時間 tON2
I LH (A)
5
4
3
2
1
I LH2_f
ILH_f
I LH2_DCM
ILH_dcm
I LH2_CRM
ILH_crm
f MIN
fmin
f TYP
fmax
0
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 f SW (kHz)
図 10-4 DCM の fSW2 と ILH2 のグラフ
ILH_f と ILH_DCM の交点が fMIN~fTYP の範囲外
tON2 < 500 ns のときは、tON2 を大きくするため、
(B-2-1-1-4)項の対策 1 を行います。
(B-2-1-2-6) OCP しきい値 VOCP2
tON2 により VOCP2 を求める。
 6 µs 以上のときは、VOCP2 = VOCP(H)_MIN
 6 µs 未満のときは、
ここで、DPC (mV/µs)、tON1 (µs)
DCM モードの場合は、ILH2_f と ILH2_DCM の交点の
ILH が ILH2_CRM よりも大きくなります。
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(B-2-1-2-7) 電流検出抵抗 ROCP
VDCIN_MAX 時の ROCP の範囲の上限値は、
これと(B-2-1-1-8)項の VDCIN_MIN 時の ROCP(H)1 の小
さい方を ROCP(H)とすると、ROCP は次の範囲になりま
す。
この範囲を設けられない場合は、(B-2-1-1-4)項の
対策 1 を行います。
ROCP が前述の範囲外のときは、ROCP を設定し直し、
(B-2-1-1-5)項から再計算します。
(B-2-1-2-8) IDRMS2、ILRMS2
(B-2-1-1-10)項の式に、ILH2、ILL2、DON2、DCCM2 を
代入して求めることができます。
(B-2-1-2-9) インダクタ電流仕様
OCP 時のピーク電流は、
インダクタが磁気飽和する電流は、IOCP より十分
に大きいことが必要です。
定格電流は、(B-2-1-1-10)項のインダクタ電流の実
効値の式を参照。
(B-2-2) インダクタンス LUSER 値を指定してパラ
メータを求める方法
LUSER 値を指定した場合の VDCIN_MIN と VDCIN_MAX
のパラメータは、(B-2-1-2) VDCIN_MAX 時のパラメー
タの項と同じ方法を用い、VDCIN_MAX と LCALC に、そ
れぞれ入力電圧と LUSER を代入して求めることがで
きます。なお、計算条件を満たさない場合は、LUSER
値を大きくまたは IOUT を小さくした設定に直し、再
計算を行います。
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10.3.3 極性反転コンバータの場合
(I-1) 入出力条件
パラメータ定義は、10.3.1 項を参照。|VOUT|は VOUT の絶対値。
VDCIN_MIN
下限値は VST_MAX か
の高い電圧以上、上限値は VDC(MAX) 以下
VDCIN_MAX
|VOUT|
。なお、過電流保護機能(OCP)の設定にも影響を受けます
IOUT
ここで、
VDZ1
下限値は 0 か
上限値は
ROCP
下限値は ROCP(L) =
の高い電圧以上、
以上
(I-2) 計算方法
(I-2-1-1-2) 動作モードと KRP1 または DDCM1 の指定
入出力仕様からインダクタンス LCALC 値を求める
方法と、インダクタンス LUSER 値を指定してパラ
メータを求める方法に分けて説明します。
● CCM モードの場合
インダクタ電流のリップルと上限の比率 KRP1 を
次の範囲内で指定します。
(I-2-1) 入出力仕様からインダクタンス LCALC 値を求
める方法
VDCIN_MIN のときの動作モードを選択して LCALC を
求め、これを用いて VDCIN_MIN と VDCIN_MAX 双方のパ
ラメータを求める。
(I-2-1-1) VDCIN_MIN 時のパラメータ
(I-2-1-1-1) 連続動作時のオンデューティ DCCM1 と
インダクタ平均電流 ILAVG1
DCCM1 条件:< 0.5
IOUT 条件:
● CRM モードの場合
IOUT 条件:
● DCM モードの場合
オンデューティ DDCM1 を
の範囲内で指定する。
IOUT 条件:
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(I-2-1-1-3) インダクタ電流
オンデューティを DON1、インダクタ電流の上限を
ILH1、下限を ILL1、リップル電流を IR1 で表示します。
● CCM モードの場合
設定変更後、(I-1) 入出力条件から再計算します。
ROCP の設定は、前述の範囲内から決めます。
ROCP により、発振周波数 fSW1 や OCP 時のピーク
電流が変わります。ROCP が小さいと fSW1 が低く、
ピーク電流が増加します。
(I-2-1-1-5) 発振周波数 fSW1
選択した動作モードの ILH1 と ROCP により、fSW1 は
次の式と条件から求める。
● CRM モードの場合
とすると
ここで、
のときは、fSW1 を fMIN、
のときは、fSW1 を fTYP にします。
(I-2-1-1-6) オン時間 tON1
● DCM モードの場合
選択した動作モードの DON1 と fSW1 より、
tON1 < 500 ns の場合は、tON1 を大きくするため、
(I-2-1-1-4)の対策 1 を行います。
(I-2-1-1-7) OCP しきい値 VOCP1
(I-2-1-1-4) 電流検出抵抗暫定上限値 ROCP(H)_TMP1
上限の暫定値 ROCP(H)_TMP を次式から求める。
tON1 により VOCP1 を求める。
 6 µs 以上のときは、VOCP1 = VOCP(H)_MIN
 6 µs 未満のときは、
ROCP は次の暫定範囲になります。
ここで、DPC (mV/µs)、tON1 (µs)
(I-2-1-1-8) 電流検出抵抗 ROCP
この範囲を設けられない場合は、次の対策 1 を行
います。
● 対策 1
CCM モードの場合:KRP1 を小さく、または IOUT
を小さく設定し直す。
CRM モードの場合:CCM モードに選択し直す。
DCM モードの場合:DDCM1 を大きくするか、CRM
または CCM モードに選択し直す。
VDCIN_MIN のときの ROCP の範囲の上限値は、
ROCP は次の暫定範囲になります。
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この範囲を設けられない場合は、(I-2-1-1-4)項の対
策 1 を行います。
ROCP が前述の範囲外のときは、ROCP を設定し直し、
(I-2-1-1-5)項から再計算します。
(I-2-1-2-2) 動作モードの判定
1) まず、以下の係数を求める。
(I-2-1-1-8)項の ROCP 設定値と(I-2-1-1-9)項で求めた
LCALC を使用し、
(I-2-1-1-9) インダクタンス LCALC
選択した動作モードの ILH1 と ILL1、fSW1 より、
LCALC < 100 µH の場合は、LCALC を大きくするため、
(I-2-1-1-4)項の対策 1 を行います。
(I-2-1-1-10) ドレイン電流、インダクタ電流の実効
値:IDRMS1、ILRMS1
2) ILH2 を次式から求める。
パワーMOSFET のオン抵抗 RDS(ON)による導通損
失は、
3) fSW2 を ILH2 と次の条件から求める。
インダクタの定格電流値に相当。
(I-2-1-2) VDCIN_MAX 時のパラメータ
ここで、
fSW2 < fMIN のときは、fSW2 を fMIN、
fTYP < fSW2 のときは、fSW2 を fTYP にして、ILH2 を
次式から求め直します。
(I-2-1-2-1) 連続動作時のオンデューティ DCCM2 と
インダクタ平均電流 ILAVG2
DCCM2 条件:< 0.5
fSW2 が fMIN ≤ fSW2 ≤ fTYP のときは、ILH2 は前述 2)の
値です。
ILH2 ≥ IDLIM の場合は、ILH2 を小さくするため、
(I-2-1-1-4)項の対策 1 を行います。
4) ILL2 を次式から求める。
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5) 動作モードを次の判定条件から求める。
● ILL2 > 0 の場合は、CCM モード
● ILL2 = 0 の場合は、CRM モード
● ILL2 < 0 の場合は、DCM モード
I LH (A)
5
I LH2_f
ILH_f
4
(I-2-1-2-3) 動作モードごとの DON2、fSW2、ILH2、ILL2
3
(I-2-1-2-2)項の 5)の動作モード結果により、DON2、
fSW2、ILH2、ILL2 の求め方が異なります。
2
I LH2_DCM
ILH_dcm
I LH2_CRM
ILH_crm
f MIN
fmin
1
f TYP
fmax
● CCM モードの場合
0
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 f SW (kHz)
fSW2 は(I-2-1-2-2)項 3)の fSW2
図 10-5 DCM の fSW2 と ILH2 のグラフ
LH_f と ILH_DCM の交点が fMIN~fTYP の範囲内
ILH2 は、(I-2-1-2-2)項 3)の ILH2
ILL2 は、(I-2-1-2-2)項 4)の ILL2
I LH (A)
5
I LH2_f
ILH_f
4
I LH2_DCM
ILH_dcm
3
I LH2_CRM
ILH_crm
2
● CRM モードの場合
f MIN
fmin
1
f TYP
fmax
0
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 f SW (kHz)
fSW2 は(I-2-1-2-2)項 3)の fSW2
図 10-6 DCM の fSW2 と ILH2 のグラフ
ILH_f と ILH_DCM の交点が fMIN~fTYP の範囲外
DCM モードの場合は、ILH2_f と ILH2_DCM の交点の
ILH が ILH2_CRM よりも大きくなります。
● DCM モードの場合
1) 次式の fSW2 を変数とする ILH_f と ILH_DCM、CRM
モード条件の ILH2_CRM をグラフにして、fSW2 と
DCM モードの ILH2 を求める。
2) fSW2 を求める。
図 10-5 のように ILH2_f と ILH2_DCM の交点の fSW が
fMIN と fTYP の範囲内のときは、その値を fSW2 に設
定し、図 10-6 のようにオーバしたときはオーバ
側の fMIN または fTYP を fSW2 に設定します。
3) DON2 を求める
DDCM2 条件:< DCCM2
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4) ILH2、ILL2、ILR2 を求める
2)項で求めた fSW2 と ILH2_DCM 曲線の交点が ILH2 に
なります。なお、ILH2 は次式からも求めることが
できます。
(I-2-1-2-8) IDRMS2、ILRMS2
(I-2-1-1-10)項の式に、ILH2、ILL2、DON2、DCCM2 を
代入して求めることができます。
(I-2-1-2-9) インダクタ電流仕様
OCP 時のピーク電流は、
(I-2-1-2-4) ILH2
ILH2 ≥ IDLIM の場合は、ILH2 を小さくするため、
(I-2-1-1-4)項の対策 1 を行います。
(I-2-1-2-5) オン時間 tON2
インダクタが磁気飽和する電流は、IOCP より十分
に大きいことが必要です。
定格電流は、(I-2-1-1-10)項のインダクタ電流の実
効値の式を参照。
(I-2-2) インダクタンス LUSER 値を指定してパラメー
タを求める方法
tON2 < 500 ns のときは、tON2 を大きくするため、
(I-2-1-1-4)項の対策 1 を行います。
(I-2-1-2-6) OCP しきい値 VOCP2
tON2 により VOCP2 を求める。
 6 µs 以上のときは、VOCP2 = VOCP(H)_MIN
LUSER 値を指定した場合の VDCIN_MIN と VDCIN_MAX
のパラメータは、(I-2-1-2) VDCIN_MAX 時のパラメータ
の項と同じ方法を用い、VDCIN_MAX と LCALC に、それ
ぞれ入力電圧と LUSER を代入して求めることができ
ます。なお、計算条件を満たさない場合は、LUSER
値を大きくまたは IOUT を小さくした設定に直し、再
計算を行います。
 6 µs 未満のときは、
ここで、DPC (mV/µs)、tON1 (µs)
(I-2-1-2-7) 電流検出抵抗 ROCP
VDCIN_MAX 時の ROCP の範囲の上限値は、
これと(I-2-1-1-8)項の VDCIN_MIN 時の ROCP(H)1 の小
さい方を ROCP(H)とすると、ROCP は次の範囲になりま
す。
この範囲を設けられない場合は、(I-2-1-1-4)項の対
策 1 を行います。
ROCP が前述の範囲外のときは、ROCP を設定し直し、
(I-2-1-1-5)項から再計算します。
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3) 制御系グランドパターン
制御系グランドパターンに主回路の大電流が流
れると、IC の動作に影響を与える可能性があり
ます。制御系のグランドは、GND 端子のできる
だけ近くに一点で配線します。
10.4 パターン設計
スイッチング電源は、高周波かつ高電圧の電流経
路が存在し、基板のパターンや部品の実装条件が、
動作、ノイズ、損失などに大きく影響します。その
ため、高周波電流ループは極力小さくし、パターン
を太くして、ラインインピーダンスを低くする必要
があります。
また、GND ラインは輻射ノイズに大きな影響を
与えるため、極力太く、短く配線します。
さらに、以下に示す内容を配慮したパターン設計
が必要です。
図 10-7、図 10-8 に IC 周辺回路の接続例を示し
ます。
4) VCC 端子周り
このパターンは、IC の電源供給用パターンのた
め、極力電流ループを小さく配線します。
IC と電解コンデンサ C4 の距離が離れている場
合は、VCC 端子と GND 端子の近くにフィルム
コンデンサ Cf(0.1μF~1.0μF 程度)などを追加
します。
1) 主回路パターン
スイッチング電流が流れる主回路パターンです。
このパターンは極力太く、電流ループを小さく
配線します。
2) インダクタの還流ループ
このパターンは、パワーMOSFET がオフの際、
フリーホイールダイオード D3 に電流が流れる
パターンです。このパターンは極力太く、電流
ループを小さくします。
5) FB 端子周り
FB 端子は、出力電圧を分圧抵抗 R2 + R3、R1 で
抵抗分圧した電圧を入力します。検出の精度を
上げるため、R3 は C3 の根元、R1 は GND 端子
根元に接続し、R1、R2、FB 端子間の接続パターン
は最短で接続します。
6) 温度に関する注意事項
パワーMOSFET の ON 抵抗 RDS(ON) は、正の温度
係数のため、熱設計に注意が必要です。IC の下
のパターンや、GND 端子のパターンは、放熱板
として機能するため、極力広く設計します。
(4) 電源供給パターンはループを小さく配線
(7) D/ST端子
放熱のためパターンを広くする
D1
D/ST
VCC
D/ST
GND
D/ST
FB
5
8
C3
C4
3
6
7
4
C2
R1
2
D2
R2
ROCP
S/OCP
D/ST
U1
R3
VOUT
(+)
1
C1
(6) FB端子接続部品は
最短で接続
L1
D3
C5
R4
(-)
(1) 主回路パターン
太く、ループを小さく配線
(5)ROCPは、S/OCP端
子の近くに配置。
図 10-7
(3)制御系GND
専用パターンで、ROCPの近くに
一点で配線
(2) インダクタの還流ループ
太く、ループを小さく配線
降圧コンバータの接続例
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(4) 電源供給パターンはループを小さく配線
(7) D/ST端子
放熱のためパターンを広くする
D1
D/ST
VCC
D/ST
GND
D/ST
FB
5
8
C1
C3
C4
3
6
7
4
C2
R1
2
D2
R2
ROCP
S/OCP
D/ST
(6) FB端子接続部品は
最短で接続
R3
VOUT
D3
(-)
1
U1
C5
L1
R4
(+)
(1) 主回路パターン
太く、ループを小さく配線
(5)ROCPは、S/OCP端
子の近くに配置。
図 10-8
(3)制御系GND
専用パターンで、ROCPの近くに
一点で配線
(2) インダクタの還流ループ
太く、ループを小さく配線
極性反転型コンバータの接続例)
STR5A450-DSJ Rev.1.0s
サンケン電気株式会社
2016.01.29
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29
STR5A450 シリーズ
11. 電源回路例
11.1 降圧コンバータの場合
電源回路例として、電源仕様と、その回路図および部品表を以下に示します。
● 電源仕様
使用 IC
入力電圧
最大出力電力
出力電圧
出力電流
STR5A453D
AC 85 V~AC 265 V
15 W (max.)
15 V
1A
● 回路図
U1
D6
D/ST
VCC
D/ST
GND
D/ST
FB
D/ST
S/OCP
5
1
7
F1
D2
D4
D3
8
C6
C4
R2
R3
R4
2
L1
D1
C5
3
6
CN1
4
CN2
D7
(+)
1
L2
R1
C1
C2
D5
C11
C8
ZD1
R5
3
(-)
TC_STR5A450_5_R2
● 部品表
記号
部品名
定格(1)
F1
Fuse
250 V, 2 A
C1
Film capacitor
275 V, 0.1 μF
C2
Electrolytic capacitor
400 V, 56 μF
(2)
C4
Ceramic capacitor
50 V, 470 pF
C5
Electrolytic capacitor
50 V, 10 μF, 2012
C6
Ceramic capacitor
50 V, 2.2 μF, 2012
C8
Electrolytic capacitor
50 V, 330 μF
C11
Ceramic capacitor
2 kV, 22 pF
D1, D2, D3, D4
Diode
600 V, 1 A
D5
Fast recovery diode
600 V, 3 A
D6
Fast recovery diode
90 V, 1 A
D7
Fast recovery diode
600 V, 0.5 A
ZD1
Zener diode
Vz = 22 V, SOD-323
(2)
L1
CM inductor
8.2 mH
L2
Inductor
180 μH
R1
Resistor
0.33 Ω, 1 W
(2)
R2
Resistor
10 kΩ, 1/8 W, 1608
(2)
R3
Resistor
47 kΩ, 1/8 W, 1608
(2)
R4
Resistor
4.7 kΩ, 1/8 W, 1608
(2)
R5
Resistor
6.8 kΩ, 1/4 W, 2012
U1
AC/DC convertor IC
650 V/1.9 Ω
(1)
特記のない部品の定格は、コンデンサ:50 V 以下、抵抗:1/8 W 以下
(2)
実機評価で調整が必要な部品
STR5A450-DSJ Rev.1.0s
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弊社推奨部品
RL4A
SJPB-D9
AG01A
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11.2 極性反転型コンバータの場合
電源回路例として、電源仕様と、その回路図および部品表を以下に示します。
● 電源仕様
使用 IC
入力電圧
最大出力電力
出力電圧
出力電流
STR5A453D
AC 85 V~AC 265 V
15 W (max.)
– 15 V
1A
● 回路図
U1
D6
D/ST
VCC
D/ST
GND
D/ST
FB
D/ST
S/OCP
5
7
F1
1
C4
D1
D2
D4
D3
C6
R2
R3
R4
2
L1
8
C5
3
6
CN1
4
1
CN2
D7
(-)
R1
D5
C1
C2
L2
C11
C8
R5
ZD1
3
(+)
TC_STR5A450_6_R2
● 部品表
記号
部品名
定格(1)
F1
Fuse
250 V, 2 A
C1
Film capacitor
275 V, 0.1 μF
C2
Electrolytic capacitor
400 V, 56 μF
(2)
C4
Ceramic capacitor
50 V, 470 pF
C5
Electrolytic capacitor
50 V, 10 μF, 2012
C6
Ceramic capacitor
50 V, 2.2 μF, 2012
C8
Electrolytic capacitor
50 V, 330 μF
C11
Ceramic capacitor
2 kV, 22 pF
D1, D2, D3, D4
Diode
600 V, 1 A
D5
Fast recovery diode
600 V, 3 A
D6
Fast recovery diode
90 V, 1 A
D7
Fast recovery diode
600 V, 0.5 A
ZD1
Zener diode
Vz = 22 V, SOD-323
(2)
L1
CM inductor
8.2 mH
L2
Inductor
180 μH
R1
Resistor
0.33 Ω, 1 W
(2)
R2
Resistor
10 kΩ, 1/8 W, 1608
(2)
R3
Resistor
47 kΩ, 1/8 W, 1608
(2)
R4
Resistor
4.7 kΩ, 1/8 W, 1608
(2)
R5
Resistor
6.8 kΩ, 1/4 W, 2012
U1
AC/DC convertor IC
650 V/1.9 Ω
(1)
特記のない部品の定格は、コンデンサ:50 V 以下、抵抗:1/8 W 以下
(2)
実機評価で調整が必要な部品
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注意書き
● 本書に記載している製品(以下、「本製品」という)のデータ、図、表その他のすべての内容は本書発行
時点のものとなります。本書に記載している内容は、改良などにより予告なく変更することがあります。
ご使用の際には、最新の情報であることを確認してください。
● 本製品は、一般電子機器(家電製品、事務機器、通信端末機器、計測機器など)の部品に使用されること
を意図しております。ご使用の際には、納入仕様書に署名または記名押印のうえご返却をお願いします。
高い信頼性が要求される装置(輸送機器とその制御装置、交通信号制御装置、防災・防犯装置、各種安全
装置など)への使用をご検討の際には、必ず事前にその使用の適否につき弊社販売窓口へご相談および納
入仕様書に署名または記名押印のうえご返却をお願いします。極めて高い信頼性が要求される装置(航空
宇宙機器、原子力制御、生命維持のための医療機器など)には、文書による弊社の承諾がない限り使用し
ないでください。
● 本製品の使用にあたり、本製品に他の製品・部材を組み合わせる場合、あるいはこれらの製品に物理的、
化学的、その他何らかの加工・処理を施す場合には、使用者の責任においてそのリスクを必ずご検討のう
え行ってください。
● 弊社は品質、信頼性の向上に努めていますが、半導体製品では、ある確率での欠陥、故障の発生は避けら
れません。本製品の故障により結果として、人身事故、火災事故、社会的な損害などが発生しないよう、
故障発生率およびディレーティングなどを考慮のうえ、使用者の責任において、本製品が使用される装置
やシステム上で十分な安全設計および確認を含む予防措置を必ず行ってください。ディレーティングにつ
いては、納入仕様書および弊社ホームページを参照してください。
● 本製品は耐放射線設計をしておりません。
● 本書に記載している内容を、文書による弊社の承諾なしに転記・複製することを禁じます。
● 本書に記載している回路定数、動作例、回路例、パターンレイアウト例、設計例、推奨例およびこれらに
基づく評価結果などは、使用上の参考として示したもので、これらに起因する使用者もしくは第三者のい
かなる損害および知的財産権を含む財産権その他一切の権利の侵害問題について、弊社は一切責任を負い
ません。
● 本書に記載している技術情報(以下、「本技術情報」という)は、本製品の使用上の参考として示したも
ので、弊社の所有する知的財産権その他権利の実施、使用を許諾するものではありません。
● 使用者と弊社との間で別途文書による合意がない限り、弊社は、本製品の品質(商品性、および特定目的
または特別環境に対する適合性を含む)ならびに本書に記載の情報(正確性、有用性、信頼性を含む)に
ついて、明示的か黙示的かを問わず、いかなる保証もしておりません。
● 本製品を使用する場合は、特定の物質の含有・使用を規制する RoHS 指令など、適用可能性がある環境関
連法令を十分に調査したうえで、当該法令に適合するよう使用してください。
● 本製品および本技術情報を、大量破壊兵器の開発を含む、軍事用途や軍事利用の目的で使用しないでくだ
さい。また、本製品および本技術情報を輸出または非居住者などに提供する場合は、
「米国輸出管理規則」、
「外国為替及び外国貿易法」など、各国の適用のある輸出管理法令等を遵守してください。
● 弊社物流網以外での本製品の落下などの輸送中のトラブルについて、弊社は一切責任を負いません。
● 本書は、正確を期すため慎重に製作したものですが、弊社は本書に誤りがないことを保証するものではな
く、万一本書に記載している内容の誤りや欠落に起因して使用者に損害が生じた場合においても、弊社は
一切責任を負いません。
● 本製品を使用するときに特に注意することは納入仕様書、一般的な使用上の注意は弊社ホームページを参
照してください。
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