アプリケーション ノート フルモールドタイプ チョッパ型スイッチングレギュレータＩＣ ＳＩ－８０００ＪＦシリーズ 第 6 版 2013 年 11 月 サンケン電気株式会社 SI-8000JF －－－ 目次 －－－ １．概要 １－１ 特長 －－－－－－－－－－ 3 １－２ 主な用途 －－－－－－－－－－ 3 １－３ 種別 －－－－－－－－－－ 3 ２－１ 外形図 －－－－－－－－－－ 4 ２－２ 定格 －－－－－－－－－－ 5 ２－３ 回路図 －－－－－－－－－－ 6 ３－１ PWM 出力電圧制御 －－－－－－－－－－ 8 ３－２ 入出力電流とチョークコイル電流 －－－－－－－－－－ 9 ３－３ 過電流・過熱保護 －－－－－－－－－－ 10 ４－１ 位相余裕 －－－－－－－－－－ 11 ４－２ ＬＣフィルタの位相特性 －－－－－－－－－－ 13 －－－－－－－－－－ 14 ５－１ 外付部品選定上の注意 －－－－－－－－－－ 15 ５－２ パターン設計上の注意 －－－－－－－－－－ 20 ５－３ 動作波形の確認 －－－－－－－－－－ 21 ５－４ 熱設計 －－－－－－－－－－ 22 ６－１ 出力 ON･OFF 制御 －－－－－－－－－－ 24 ６－２ 出力電圧可変 －－－－－－－－－－ 25 ６－３ スパイクノイズの低減 －－－－－－－－－－ 26 ６－４ 逆バイアス保護 －－－－－－－－－－ 26 －－－－－－－－－－ 27 ２．製品仕様 ３．SI-8000JF の動作説明 ４．電源の安定性 ４－３ レギュレータＩＣとＬＣフィルタの 位相特性の関係 ５．使用に際しての注意事項 ６．応用 ７．用語解説 EI00068 ２ SI-8000JF １．概要 SI-8000JF シリーズは、降圧スイッチングレギュレータに必要な各種の機能と保護機能を 備えたチョツパ型スイッチングレギュレータＩＣです。僅か４点の外付け部品で高精度高 能率のスイッチングレギュレータを構成することが出来ます。 ●１－１ 特長 ・小型大出力電流 1.5Ａ ＴＯ２２０クラスの外形で、出力電流が最大 1.5Ａです。 ・高効率８２％(SI-8050JF Vin=20V/Io=0.5A) 高効率のため発熱が小さく、放熱器も小型にする事が出来ます。 ・外付部品４点 入出力コンデンサ、ダイオード、コイルのみでレギュレータを構成できます。 ・出力電圧、位相補正内部調整済 面倒な外付部品による出力電圧、位相補正の調整は不要です。 ・タイミングコンデンサ内蔵型基準発振 発振周波数設定用の外付コンデンサは不要です。 ・過電流、過熱保護内蔵 フの字型過電流保護および過熱保護回路を内蔵しています。（自動復帰型） ・出力 ON/OFF 機能（立ち上げディレイ時間設定可能） 出力の ON/OFF 制御も可能です。OFF 時の消費電流も尐なくなっております。また 外付コンデンサの追加で、起動時に出力電圧立ち上がり速度を遅らせることが出 来ます。 ・絶縁板不要 フルモールド型ですので放熱器への取り付けに際し絶縁板が不要です。 ●１－２ 主な用途 ・オンボードローカル電源 ・ＯＡ機器用電源 ・レギュレータ２次側出力電圧安定化 ・テレコム用電源 ●１－３ 種別 ・種別：半導体集積回路（モノリシックＩＣ） ・構造：樹脂封止型（トランスファーモールド） EI00068 ３ SI-8000JF ２．製品仕様 ●２－１ 外形図 (ﾘｰﾄﾞﾌｫｰﾐﾝｸﾞ No : LF1101) 単位 mm 端子配列 1. Vin 2. SWOut 3. GND 4. Vos 5. ON/OFF EI00068 ４ SI-8000JF ●２－２ 定格 ラインナップ 絶対最大定格 品名 Vout(V) 項目 記号 定格値 単位 SI-8015JF 1.59 入力電圧 Vin 43 V (可変ﾀｲﾌﾟ) （基準電圧） 無限大放熱時許容損失 Pd1 16.6 W SI-8033JF 3.3 放熱板未使用時許容損失 Pd2 1.5 W SI-8050JF 5 接合部温度 Tj 125 ﾟC SI-8120JF 12 保存温度 Tstg -40～+125 ﾟC 推奨動作条件 項目 直流入力電圧 出力電流 記号 SI-8015JF SI-8033JF SI-8050JF SI-8120JF 単位 条件 Vin1 Vo+2V 5.3～6.3 7～8 14～15 V Io=0～1A Vin2 Vo+3V 6.3～40 8～40 15～40 V Io=0～1.5A 0～1.5 A Vin≧Vo+3V -30～+125 ℃ Io 動作時接合温度 Tjop 注:SI-8015JF の可変出力電圧範囲は 2.5～24V となります。 電気的特性 (Ta=25 ﾟ C) SI-8015JF 項 目 記号 Vin min typ SI-8033JF SI-8050JF max min typ max min typ max SI-8120JF min typ max 1.558 1.59 1.622 3.17 3.30 3.43 4.90 5.00 5.10 11.76 12.0 12.24 設定出力電圧 V 条件 Vin=15V/Io=0.5A η 67 条件 Vin=15V/Io=0.5A f 125 条件 Vin=15V/Io=0.5A 入力電圧対出力電圧 ⊿VLi 25 (Iout=0.5A) 条件 Vin=8～30V 出力電流対出力電圧 ⊿VLo 10 (Iout=0.2～0.8A) 条件 Vin=12V 効 単位 Vin=15V/Io=0.5A Vin=20V/Io=0.5A 77 Vin=24V/Io=0.5A 82 88 率 % Vin=15V/Io=0.5A Vin=20V/Io=0.5A 125 Vin=24V/Io=0.5A 125 125 動作周波数 kHz Vin=15V/Io=0.5A Vin=20V/Io=0.5A 80 25 80 40 Vin=24V/Io=0.5A 100 60 130 mV Vin=8～30V Vin=10～30V Vin=18～30V 10 10 10 30 30 40 40 mV Is 1.6 Vin=15V 1.6 Vin=20V 1.6 Vin=24V 1.6 過電流保護開始電流 出力電圧温度変動 A 条件 Vin=12V Vin=15V Vin=20V Vin=24V Kt ± 0.5 ± ± 0.5 ± 1.0 mV/ﾟ C 0.5 EI00068 ５ SI-8000JF ●２－３ 回路図 ２－３－① 内部等価回路図 ・SI-8033JF,SI-8050JF,SI-8120JF 内部等価回路 Vin 1 SW OUT Vin L 2 Vout Di C1 PReg 過電流保護 ON/OFF 5 C2 ﾗｯﾁ& ﾄﾞﾗｲﾊﾞ ﾘｾｯﾄ ON/OFF SoftStart C3 発振器 Vos 過熱保護 4 ｺﾝﾊﾟﾚｰﾀ ｴﾗｰｱﾝﾌﾟ 基準電圧 GND 3 ・SI-8015JF 内部等価回路 SI-8015JF Vin 1 SW OUT Vin C1 PReg 5 C3 L 2 VO Di 過電流保護 C2 ON/OFF ON/OFF Soft･ Start ﾘｾｯﾄ ﾗｯﾁ& ﾄﾞﾗｲﾊﾞ R1 C4 発振器 VREF 過熱保護 ｺﾝﾊﾟﾚｰﾀ ｴﾗｰｱﾝﾌﾟ 4 R2 基準電圧 GND 3 EI00068 ６ SI-8000JF ２－３－② 標準接続図 ・SI-8033JF,SI-8050JF,SI-8120JF 接続図 1 VIN VIN SW SI-8050JF Vos 100uH 2 VOUT 4 ON/OFF GND 5 3 220uF 470uF Di GND GND ・SI-8015JF 接続図 1 VIN VIN SW SI-8015JF ON/OFF GND 5 3 220uF 2 4 100uH VOUT C4 R1 VREF Di R2 GND 抵抗 470uF GND R1，R2 R1，R2 は出力電圧を設定する為の抵抗です。IREF が 2mA 程度となるよう設定して 下さい。又、R1，R2 の値を求める式は以下のようになります。 R1 VOUT VREF I REF VOUT 1.59 ，R 2 VREF 1.593 ≒800 3 I REF 2 10 2 10 安定動作する為にスイッチングノイズの影響を受けない様、電圧検出 ラインはコンパクトにまとめたレイアウト設計が重要です。 EI00068 ７ SI-8000JF ３．ＳＩ－８０００ＪＦの動作説明 ●３－１ PWM 出力電圧制御 ＳＩ－８０００ＪＦシリーズは、ＰＷＭ方式にて出力電圧を制御しており、ＰＷＭコン パレータ、発振器、誤差増幅器、基準電圧、出力トランジスタドライブ回路、等を内蔵し ております。 ＰＷＭコンパレータの入力には発振器からの三角波出力(≒125KHz)と誤差 増幅器の出力が与えられます。ＰＷＭコンパレータは発振器出力と誤差増幅器出力を比較 し、発振器出力に対し誤差増幅器出力が上回った時間にスイッチングトランジスタがＯＮ になるよう制御しています。 PWM 制御チョッパ型レギュレータ基本構成 誤差増幅器出力と発振器出力を PWM コンパレータで比較し方形 波のドライブ信号を発生させスイ ッチングトランジスタをドライブ する。 仮に出力電圧が上昇しようとした場合、誤差増幅器は反転型のため誤差増幅器の出力は 低下します。誤差増幅器出力が低下しますと発振器の三角波レベルを下回る時間が増加し スイッチングトランジスタのＯＮ時間を短縮させることにより出力電圧を一定に保ちます。 PWM コンパレータ動作図 このようにスイッチングの周波数 は固定したままで、スイッチング トランジスタのＯＮ時間を変化さ せることにより出力電圧を制御し ています。 （Vin が高いほどスイッチングト ランジスタのＯＮ時間は短く なります。） スイッチングトランジスタの方形波出力は、チョークコイルとコンデンサによるＬＣロー パスフィルターにより平滑され、安定化された直流電圧として負荷へ供給されることにな ります。 EI00068 ８ SI-8000JF ●３－２ 入出力電流とチョークコイル電流 ＳＩ－８０００ＪＦのスイッチングトランジスタによって作られた方形波出力は、チョ ークコイルと出力コンデンサで構成されるＬＣフィルタで平滑される事により、直流出力 電圧に変換されます。このＬＣフィルタの動作はチョッパ型レギュレータの安定動作に大 きく影響します。チョークコイルと電流の関係、電流と出力リップル電圧の関係等を以下 に示します。 チョークコイルに流れる電流 IL は、三角波の形状を示します。この三角波は２種類の電 流成分 Itr と Idi で構成されています。電流 Itr はトランジスタ ON 時に入力側よりトラン ジスタを通して供給される電流であり、この平均値が入力電流 Iin となります。 また電流 Idi は、チョークコイルに蓄えられたエネルギーがトランジスタ OFF 時にフライ ホイールダイオード Di を介して転流された電流です。 Itr と Idi の合計がチョークコイル電流 IL となります。さらに IL の重畳している三角波 成分は、コンデンサＣの充放電作用により平滑されますので、IL の平均値が直流出力電流 Io となります。 EI00068 ９ SI-8000JF ●３－３ 出力電圧 過電流・過熱保護 過電流時出力電圧特性 ＳＩ－８０００ＪＦは、フの字型過電流保 ここで周波数が低下 護回路を内蔵しています。過電流保護回路は スイッチングトランジスタのピーク電流を検 出し、ピーク電流が設定値を超えると強制的 にトランジスタのＯＮ時間を短縮させて出力 出力電流 電圧を低下させ電流を制限しています。さら に出力電圧が定格値の約 50%まで低下しますとスイッチング周波数を約 40KHz におとし低 出力電圧時の電流増加を防止しています。過電流状態を解除すると出力電圧は自動的に復 帰します。 過熱保護時出力電圧特性 過熱保護回路は、ＩＣの半導体接合温度を 検出し、接合温度が設定値を超えると出力ト ランジスタを停止させ、出力をＯＦＦとしま す。接合温度が過熱保護設定値より約１５℃ 低下しますと自動的に復帰します。 ※（過熱保護特性）注意事項 瞬時短絡等の発熱に対しＩＣを保護する回路であり、長時間短絡等、発熱が継続する状態 での信頼性を含めた動作を保証するものではありません。 EI00068 １０ SI-8000JF ４．電源の安定性 ●４－１ 位相余裕 ＰＷＭ制御チョッパ型レギュレータの回路ブロック図を以下に示します。これよりＰＷ Ｍ制御チョッパ型レギュレータは、あらかじめ設定された基準電圧と、出力電圧を常時比 較して出力電圧を制御する負帰還増幅器である事が解ります。したがって出力電圧の変動 を誤差増幅器で検出して出力を制御する為の負帰還ループを有しています。 負帰還ループ内の位相は、出力電圧の変動を打ち消すため 180 ﾟずれていますが、さらに 増幅度（ゲイン）が１以上の状態において位相が 180 ﾟ遅れると、位相のずれは合計で 360 ﾟ に達し、安定動作領域をはずれて異常発振をおこします。これをバルクハウゼンの発振条 件といいます。したがって実際の安定化電源ではこの発振条件が成立しないようにしなく てはなりません。 バルクハウゼンの発振条件が成り立つかどうかは、負帰還ループの周波数－ゲイン・位 相特性により判定することが可能です。この周波数－ゲイン・位相特性をボード線図と呼 びます。 一段差動アンプ ボード線図例 EI00068 １１ SI-8000JF ここでボード線図上において ゲインが１（０ｄＢ）になる周波数 ：ゲイン交点 帰還ループの位相が－180 ﾟになる周波数 ：位相交点 と呼びます。ゲイン交点の周波数において位相が－180 ﾟに達していなければ発振条件は成 立しないことになります。そこで ゲイン交点における位相－(－180 ﾟ)＝ゲイン交点における位相＋180 ﾟ を位相が－180 ﾟまでどれだけ余裕があるかを示す値として用い、これを位相余裕と呼び ます。位相余裕が大きい程、入出力条件や温度等の周囲環境が変化しても異常発振を起こ しにくくなります。したがって安定動作を保つためには十分な位相余裕を見込んでおく必 要があります。 ボード線図における安定判別 EI00068 １２ SI-8000JF ●４－２ ＬＣフィルタの位相特性 チョッパ型レギュレータの位相余裕は、出力平滑用ＬＣフィルタの位相特性に、大きく 左右されます。ＬＣフィルタの位相特性は、理論上は二次遅れ要素の特性を示します。こ れはコイルのインダクタンスＬとコンデンサの容量Ｃの組み合わせにより特定の周波数で 共振を起こし、共振点より高い周波数では、位相が最大 180 ﾟ遅れることになります。 共振周波数ｆLC は ｆLC 1 2 LC 位相特性は 共振周波数ｆLC より低い周波数の位相特性は：0 ﾟ 共振周波数ｆLC より高い周波数の位相特性は：-180 ﾟ となります。 したがって出力平滑用ＬＣフィルタが理論通りの位相特性を示すとなると、このフィル タの部分だけで位相遅れは-180 ﾟに達し、レギュレータとしての位相余裕は 0 ﾟになってし まいます。 しかし現実のＬＣフィルタにおいてはコンデンサの等価直列抵抗(ESR)の影響により、Ｌ Ｃフィルタの位相遅れは 180 ﾟより尐なくなります。よって、この等価直列抵抗の位相補正 効果により、レギュレータとしての位相余裕を確保することが出来ます。ＥＳＲが大きい 場合、ＬＣフィルタの位相遅れは小さくなりますが、ＬＣフィルタの減衰率の低下による ゲイン上昇のための位相余裕低下、出力リップル電圧増大による異常発振発生の可能性が あるため注意が必要です。 一般的に、出力ＬＣフィルタにタンタル・コンデンサや積層セラミック・コンデンサの ような ESR の非常に小さいコンデンサを用いますと、フィルタ部分の位相遅れが大きくな ります。よって位相余裕確保の面からは、出力フィルタには電解コンデンサの使用が適当 です。 EI00068 １３ SI-8000JF ●４－３ レギュレータＩＣとＬＣフィルタの位相特性の関連 チョッパ型レギュレータの位相特性は、レギュレータＩＣの位相と、ＬＣフィルタの位 相特性で決まってしまいます。そこで両者の特性の関連が重要になります。 レギュレータＩＣの位相遅れの要因としては、一般的に出力段や誤差増幅器の遅れとな り、周波数が高いほど位相遅れは大きくなります。これに対し、ＬＣフィルタの場合、Ｌ Ｃフィルタの共振周波数 fLC 以上では、周波数が高いほど位相遅れは小さくなります。従 って、レギュレータＩＣのゲイン低下開始周波数 fp と、ＬＣフィルタの共振周波数ｆLC が接近していると、両者の位相遅れが集中するためレギュレータの位相余裕が尐なくなっ てしまいます。一般的に fLC が低い程、位相余裕が増える傾向があります。 fLC を下げるには、以下の式よりｺｲﾙ容量もしくは、ｺﾝﾃﾞﾝｻ容量を上げることが必要です。 共振周波数 fLC は fLC ﾚｷﾞｭﾚｰﾀ IC 1 2π LC ﾚｷﾞｭﾚｰﾀ IC 各レギュレータＩＣのアプリケーションに記載されているＬＣフィルタの定数において、 コイルのインダクタンスやコンデンサの容量を、推奨値より極端に小さくしますと、ＬＣフ ィルタの共振周波数ｆLC が上昇して位相余裕が減尐する危険があるので注意が必要です。 EI00068 １４ SI-8000JF ５．使用に際しての注意事項 ●５－１ 外付部品選定上の注意 ５－１－① チョークコイルＬ チョークコイルＬは、 スイッチングトランジスタ OFF 時に負荷側に電流を供給しており、 チョッパ型スイッチングレギュレータの中心的役割を果たしています。レギュレータの安 定動作維持のため、飽和状態での動作や、自己発熱による高温動作等の危険な状態は回避 しなくてはなりません。チョークコイル選定のポイントとしては以下の事項が挙げられま す ａ）スイッチングレギュレータ用であること ノイズフィルタ用のコイルは、損失が大きく発熱が大となりますので使用をさけてくだ さい。 ｂ）インダクタンス値が適正であること チョークコイルのインダクタンスは、大きいほどコイルを流れるリップル電流が減尐し 出力リップル電圧が小さくなりますが、コイルの外形は大形になります。逆に小さなイン ダクタンスとすると、スイッチングトランジスタやダイオードを流れるピーク電流が増大 して損失が増加し、リップル電圧も大きくなり安定動作確保の上で好ましくありません。 インダクタンスが大きい程、リップル電流・電圧は インダクタンスが小さい程、リップル電流・電圧が 小さくなる。ただし、コイルの外形は大型になる。 大きくなる。コイルの外形は小型になるが、動作が 不安定になりやすい。 仕様書に示すインダクタンス値は、安定動作に適した目安の値でありますが、また次式に よって適当なインダクタンス値を求めることもできます。 ここで､ΔIL はチョークコイルのリップル電流値を示し、大略下記の目安に従って設定しま す。 ・使用出力電流が SI-8050JF の最大定格(1.5A)に近い場合：出力電流×0.2～0.3 倍 ・使用出力電流が大略 0.5A 以下の場合：出力電流×0.5～0.6 倍 L 例えば (Vin Vout ) Vout IL Vin f Vin=25V. Vout=5V. －－－（１） ΔIL=0.3A. 周波数=125KHz とすると (25 5) 5 L ≒106uH 0.3 25 125 103 となりますのでインダクタンスが約 100uH のコイルを選択すればよいことになります。 EI00068 １５ SI-8000JF ｃ）定格電流を満足すること チョークコイルの定格電流は、使用する最大負荷電流より大きくなくてはなりません。 負荷電流がコイルの定格電流を越えると、インダクタンスが激減し、ついには飽和状態と なります。この状態では、高周波インピーダンスが低下し、過大な電流が流れますのでご 注意ください。 ｄ）直流重畳特性が良いこと チョークコイルを流れる電流波形は、三角波に 負荷電流に等しい直流電流が重なっています。コイ ルのインダクタンスは、この重畳している電流の増 大にしたがって低下する傾向にあります。インダク タンスが定格値の５０％ダウンするまでは使用可 能ですので、コイル選択の目安にして下さい。 ｅ）ノイズが尐ないこと ドラム型のような開磁路型コアは、磁束がコイルの外側を通過するため周辺回路へノイ ズによる障害を与えることがあります。なるべくトロイダル型や EI 型、EE 型のような閉磁 路型コアのコイルをご使用下さい。 ５－１－② 入力コンデンサＣ１ 入力コンデンサは、入力回路のバイパスコンデンサとして動作し、スイッチング時の急 峻な電流をレギュレータに供給しており、入力側の電圧降下を補償しています。従って極 力レギュレータＩＣの近くに取り付ける必要があります。また、AC 整流回路の平滑コンデ ンサが入力回路にある場合には、入力コンデンサは平滑コンデンサと兼用とすることがで きますが、同様の配慮が必要です。 Ｃ１選定のポイントとして次のことが挙げられます。 ａ）耐圧を満足すること。 ｂ）許容リップル電流値を満足すること。 Ｃ１の電流の流れ EI00068 １６ SI-8000JF これら耐圧や許容リップル電流値を、オーバーしたりディレーティング無しで使用した場 合、コンデンサ自身の寿命が低下（パンク、容量の減尐、等価インピーダンス増大、等） するばかりでなく、レギュレータの異常発振を誘発する危険があります。従って、十分な マージンをとった選択が必要です。なお入力コンデンサに流れるリップル電流実効値 Irms は下記の式で求められます。 Irms 1.2 例えば Vo I o u t－－（２） V i n Iout=1.5A. I r m s1.2 Vin=20V. Vo=5V. とすると 5 1.5 0.45 A 20 となりますので許容リップル電流が、0.45A より大きいコンデンサを選ぶ必要があります。 ５－１－③ 出力コンデンサＣ２ 出力コンデンサＣ２は、チョークコイルＬと共にＬＣローパスフィルターを構成して、 スイッチング出力の平滑コンデンサとして機能しています。出力コンデンサにはチョーク コイル電流の脈流部ΔIL と等しい電流が充放電されています。従ってＣ２選定のﾊﾟﾗﾒｰﾀと しては入力コンデンサと同様に、耐圧及び許容リップル電流値に十分なマージンをとった 上で満足する必要があります。また、その他のポイントとして、直流等価抵抗(ＥＳＲ)、 容量となります。以下に選定の注意点を示します。 C2 の電流の流れ ◇許容リップル電流 出力コンデンサのリップル電流実効値は、下記の式で求められます。 Irms IL 2 3 －－－（３） 例えばΔIL を 0.5A としますと Irms 0.5 ≒ 014 . A 2 3 となり許容リップル電流が 0.14A 以上のコンデンサが必要になります。 EI00068 １７ SI-8000JF ◇直流等価抵抗（ESR） 安定動作のため ESR は適切な値を選ぶことが必要です。ESR が過大な場合には、出力 ﾘｯﾌﾟﾙ電圧増大による異常発振、一方、過尐な場合は位相余裕の不足となります。出力ﾘｯﾌﾟ ﾙ電圧は、チョークコイル電流の脈流部ΔIL（＝Ｃ２充放電電流）と ESR の積で決まり、 出力ﾘｯﾌﾟﾙ電圧としては、出力電圧の 0.5～1%程度(例：Vout=5V で 0.5％の場合：25mV) にて良好な動作となり、出力電圧ﾘｯﾌﾟﾙの求め方は（４）（５）を参照願います。ESR は 温度で変化し、特に高温時には ESR が低下することから注意が必要です。 Vrip Vin Vout Vout ESR - -（４） L Vin f Vrip IL ESR - -（５） - また、ESR が極端に小さい場合(約１０～２０ｍΩ以下)位相遅れが大きくなり、異常発振 となる可能性があります。このため、出力コンデンサにタンタルコンデンサや積層セラミ ックコンデンサを単体で用いることは適当ではありません。但し低温(＜0 ﾟ C)で使用され る場合には、電解コンデンサと並列にタンタルコンデンサや積層セラミックコンデンサを 接続すると出力リップル電圧の低減に有効です。更に、一層出力リップル電圧を小さくす るには、下図に示すように、LＣフィルタを一段追加しπ型フィルターを構成するのが効果 的です。 SI-8000JF L2 ： 20uH Co2 ： 200uF このように、出力コンデンサＣ２においては、耐圧及び許容リップル電流が満足されれば、 容量より ESR の方が動作安定度に与える影響が大きい事にご注意ください。出力ｺﾝﾃﾞﾝｻのﾚｲｱｳﾄ については、IC より離れた場所に配置した場合、配線抵抗等で擬似的に ESR の上昇と等価とな るため、IC 近傍の配置を推奨します。 EI00068 １８ SI-8000JF ５－１－④ LC ﾌｨﾙﾀ定数選定例 上記内容を踏まえた、 ﾁｮｰｸｸｺｲﾙのｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ、出力ｺﾝﾃﾞﾝｻの容量、ESR の算出方法について、 以下に示します。以下の値は目安となり、多くの場合、ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ、出力ｺﾝﾃﾞﾝｻ容量大のほう が、安定動作となります。 ｻﾝﾌﾟﾙ：SI-8050JF、条件：入力電圧 Vin：24V、出力電圧 Vo：5V、出力電流 Io：0.5A ①ﾁｮｰｸｺｲﾙのｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ L ﾁｮｰｸｺｲﾙﾘｯﾌﾟﾙ電流ΔIL=Io×0.5～0.6⇒0.3A とする。 L Vin Vo Vo IL Vin f 24 55 0.3 25 125000 101H L : 100Hとする。 ②出力ｺﾝﾃﾞﾝｻ ESR 出力ﾘｯﾌﾟﾙ電圧 Vrip=5V×0.5%=25mV とする。 Vrip IL ESR ESR ５－１－⑤ Vrip 83.3m IL フライホイールダイオード・Ｄｉ ダイオード Di は、スイッチングオフ時にチョークコイルに貯えられたエネルギーを放出 させるための物です。フライホイールダイオードには必ずショットキーバリアダイオード を使用して下さい。一般の整流用ダイオードやファーストリカバリダイオード等を使用し た場合、リカバリ及びオン電圧による逆電圧印可によりＩＣを破壊する恐れがあります。 EI00068 １９ SI-8000JF ●５－２ パターン設計上の注意 ５－２－① 大電流ライン 接続図中の太線部分には大電流が流れますので、出来る限り太く短かいパターンとして ください。 SI-8000JF ５－２－② 入出力コンデンサ 入力コンデンサＣ１と、出力コンデンサＣ２は、出来る限りＩＣに近づけてください。入力側に AC 整流回路の平滑コンデンサがある場合には、入力コンデンサと兼用にする事が可能ですが、距離 が離れている場合には、平滑用とは別に入力コンデンサを接続する事が必要です。また入出力コン デンサのリード線には、大電流が高速で充放電されるので、リード線の長さは最短としてください。 コンデンサ部分のパターン 引き回しにも同様の配慮が 必要です。 ５－２－③ センシング端子 出力電圧センシング端子Ｖｏｓは出来る限り出力コンデンサＣ２に近い所に接続してく ださい。（Ｖｏｓ端子流入電流は 0.5ｍＡ程度です。）遠い場合、レギュレーションの低下、 スイッチングリップルの増大により異常発振の原因となる事がありますので御注意くださ い。 SI-8000JF 基板パターン例 C3 TopView・部品面 EI00068 ２０ SI-8000JF ●５－３ 動作波形の確認 スイッチング動作が正常であるかどうかはＳＩ－８０００ＪＦの２－３端子間波形 (SwOut 波形)にて確認できます。以下に正常動作時及び異常発振時における波形例を示しま す。 連続領域は、チョークコイルを流れる電流に、三角波に直流成分が重畳している領域で あり、不連続領域は、チョークコイル電流が尐ないためチョークコイルを流れる電流が断 続的になる（ゼロになる期間が発生する）領域です。したがって負荷電流が多い場合は連 続領域に、尐ない場合は不連続領域になります。連続領域ではスイッチング波形は通常の 方形波の形状となり（波形１）、不連続領域ではスイッチング波形に減衰振動が発生しま すが（波形２）、これは正常な動作であり問題はありません。 ＩＣと C1,C2 が離れていると、上の波形（３，４）にみられるように、スイッチングの ON･OFF 時間が乱れるジッタが発生します。前述のとおり、C1,C2 はＩＣの近くに接続する ことが必要です。 EI00068 ２１ SI-8000JF ●５－４ 熱設計 ５－４－① 放熱の計算 レギュレータの損失Ｐｄと、接合部温度Ｔｊ、ケース温度Ｔｃ、放熱器温度Ｔｆｉｎ、 周囲温度Ｔａは、以下の関係にあります。 Tj Tc jc －－（６） Tj Tfin jc i －－（７） Pd ６．０ 6.0 Pd Pd Tj Ta jc i fin －－（８） ＴｊＭＡＸは製品固有の値であり、厳守する必要があります。この為には、ＰｄＭＡＸ， ＴａＭＡＸに応じた放熱器設計（θｆｉｎの決定）が必要になります。これらをわかりや すくグラフ化した物が熱減定格であります。放熱器設計は以下の手順で行います。 １）セット内最大周囲温度ＴａＭＡＸを求める。 ２）入出力条件を変化させ最大損失ＰｄＭＡＸを求める 100 Vo Pd Vo Io 1 Vf Io1 Vin x ※ －－－（９） ηx=効率（%），Vf=ダイオード順方向電圧 ３）熱減定格上の交点より放熱器の大きさを決定する。 また計算にて必要な放熱器の熱抵抗を求めることも出来ます。必要な放熱器の熱抵抗は i fin Tj Ta jc Pd －－－（１０） で求められます。例として、以下に SI-8050JF を Vin=20V,Iout=1.5A,Ta=85 ﾟ C で使用する 場合の熱計算例を示します。代表特性例より効率η=82%、Vf=0.4V として 5 100 Pd 5 1.5 1 0.4 1.5 1 ≒1.2W 82 20 125 85 i fin 6.0≒27.33ﾟC / W 1.2 よって熱抵抗が 28 ﾟ C／W 以下の放熱器が必要になります。 以上により放熱器が決定されたことになりますが、一般的には 10～20%以上のディレーティ ングで使用します。また実際には、実装上の違いにより放熱効果が大きく変化します。従 って、実装状態での放熱器温度あるいはケース温度の確認が必要となります。 EI00068 ２２ SI-8000JF ５－４－② 放熱器への取り付け シリコングリスの選択 SI-8000JF を放熱器に取り付ける際には、ＩＣと放熱器の間に必ずシリコングリスを薄く 均一に塗布して下さい。塗布を省略すると、ＩＣ裏面と放熱器表面のミクロ的な凹凸によ る接触不完全により、熱抵抗θｉが大きく増加してＩＣの発熱が高くなり、寿命を悪化さ せる要因となります。 また、使用するシリコングリスの種類によっては、オイル分が分離しＩＣ内部に浸透し て、パッケージの変形や内蔵素子へ悪影響を及ぼすことがあります。変性シリコンオイル を基油したシリコングリス以外は使用しないで下さい。以下に示す弊社推奨品のご使用を お奨めします。 弊社推奨シリコングリス Ｇ７４６ 信越化学工業（株） ＳＣ１０２ トーレシリコーン（株） ＹＧ６２６０ 東芝シリコーン（株） 取り付けネジの締め付けトルク ＩＣのパッケージを損傷することなくＩＣと放熱器間の熱抵抗を低く押さえるには、適 切なネジ締め付けトルクの管理が必要です。シリコングリスを塗布しても締め付けトルク が不足しますと、熱抵抗θｉが上昇してしまいます。 SI-8000JF については 58.8～68.6N･cm(6.0～7.0kg･cm)を推奨します。 ※ 6Kg･cm を 100%とした時の熱抵抗変 化率を示す。 ※ シリコングリスは G746 を使用 EI00068 ２３ SI-8000JF ６．応用 ●６－１ 出力の ON・OFF 制御 ５番端子を用いて、出力 ON・OFF 制御が可能です。オープンコレクタ等のスイッチによ り、５番端子を Lo レベルとすると出力は停止します。また立ち上がりディレー時間設定と の併用も可能です。ON･OFF 端子はＩＣ内部でプルアップ済みですので外部からは電圧を印 加しないで下さい。 SI-8000JF ON/OFF SI-8000JF ON/OFF ●６－２ SI-8033JF,SI-8050JF,SI-8090JF,SI-8120JF 出力電圧可変 ４番・Vos 端子に抵抗を追加することにより出力電圧を上昇させる事が出来ます。 （降下は不可） SI-8015JF 出力電圧設定方法は 8 ページを参照下さい。 ●６－２－① 外付抵抗１本による出力電圧可変 出力電圧調整抵抗 Rex は、次式により求まります。 SI-8000JF Ivos Re x Vout'Vos IVos －－－（１） Vos ：製品設定出力電圧 Vout‘ ：可変後出力電圧 Ivos ：Vos 端子流入電流≒527μA ※ Rex は、温度補償されませんので、出力電圧温度特性は低下します。また Ivos はＩＣ の製品によって最大±20%のバラツキがあります。従って出力電圧のバラツキ範囲が拡がり ますので、精確な出力電圧の合わせ込みには半固定抵抗が必要です。 以下に Rex、Ivos、Vos のﾊﾞﾗﾂｷを考慮した、出力電圧ﾊﾞﾗﾂｷ範囲を示します。 ⅰ最大出力電圧(Vout’MAX) Vout' MAX＝VosMAX＋RexMAX IvosMAX VosMAX：設定出力電圧の最大値。仕様書の電気的特性に示す、設定出力電圧の MAX 値を 入れてください。 RexMAX：Rex の最大値。抵抗の許容差より求めてください。 IvosMAX ：Vos 端子の最大流入電流。658μA EI00068 ２４ SI-8000JF ⅱ最小出力電圧(Vout’MIN) Vout' MIN＝VosMIN＋RexMIN IvosMIN VosMIN ：設定出力電圧の最小値。仕様書の電気的特性に示す、設定出力電圧の MIN 値 を入れてください。 RexMIN：Rex の最小値。抵抗の許容差より求めてください。 IvosMIN ：Vos 端子の最小流入電流。439μA ●６－２－② 外付抵抗２本による出力電圧可変 出力電圧調整抵抗 Rex1､2 は、次式により求まります。 Vout'Vos S IVos Vos Re x2 (S 1) IVos Re x1 Ivos SI-8000JF S －－－（３） －－－（４） ：安定係数 Rex2 に電流をバイパスさせる事により、①の方法よりも温度特性及び出力電圧バラツキ 範囲は改善されます。安定係数 S は、Vos 端子流入電流 Ivos に対する IRex2 の比を示して おり S を大きくする程、温度特性と出力電圧バラツキは改善されます。（通常 5～10 位） 以下に Rex1、Rex2、Ivos、Vos のﾊﾞﾗﾂｷを考慮した、出力電圧ﾊﾞﾗﾂｷ範囲を示します。 ⅰ最大出力電圧(Vout’MAX) Vout' MAX ＝VosMAX ＋Rex1MAX( VosMAX VosMAX ＋IvosMAX ） Rex2MIN ：設定出力電圧の最大値。仕様書の電気的特性に示す、設定出力電圧の MAX 値 を入れてください。 Rex1MAX：Rex1 の最大値。抵抗の許容差より求めてください。 Rex2MIN：Rex2 の最小値。抵抗の許容差より求めてください。 IvosMAX ：Vos 端子の最大流入電流。658μA ⅱ最小出力電圧(Vout’MIN) Vout' MIN＝VosMIN＋Rex1MIN( VosMIN VosMIN ＋IvosMIN ） Rex2MAX ：設定出力電圧の最小値。仕様書の電気的特性に示す、設定出力電圧の MIN 値 を入れてください。 Rex1MIN：Rex1 の最小値。抵抗の許容差より求めてください。 Rex2MAX ：Rex2 の最大値。抵抗の許容差より求めてください。 IvosMIN ：Vos 端子の最小流入電流。439μA EI00068 ２５ SI-8000JF ●６－２－③ 出力電圧可変時の注意事項 出力電圧を可変させた場合の懸念点としましては、ﾚｷﾞｭﾚｰｼｮﾝの悪化、出力電圧温度係数の 増加が想定されます。また大幅に可変させた場合は、ｺｲﾙ電流増大による、過電流保護電流 低下が想定されることから、ｺｲﾙ容量値上昇が必要となる場合があります。以上の点から、 出力電圧の可変上限としましては、設定出力電圧＋5V 以内でのご使用を推奨致します。尚、 出力電圧の可変下限としましては、設定出力電圧の MAX 値となります。 ●６－３ スパイクノイズの低減 スパイクノイズを低減させるには、SI-8000JF の出力波形及び、ダイオードのリカバリー タイムを、コンデンサで補正する方法がありますが、共に効率が弱冠低下しますので注意 して下さい。 0～ 20Ω 1.VIN 100～ 3000pF 2.SWOUT SI-8000JF 0～ 20Ω 3.GND 100～ 4000pF ※オシロスコープにてスパイクノイズを観測される際には、プローブの GND リード線が 長いとリード線がアンテナの作用をしてスパイクノイズが異常に大きく観測されることが あります。スパイクノイズの観測に当たってはプローブのリード線を最短にして出力コン デンサの根本に接続して下さい。 ●６－４ 逆バイアス保護 バッテリーチャージ等、入力端子より出力の電圧が高くなるような場合には、入出力間 に逆バイアス保護用のダイオードが必要となります。 SI-8000JF EI00068 ２６ SI-8000JF ７．用語解説 ・ジッタ 異常スイッチング動作の一種で、入出力条件が一定にも関わらずスイッチングパルス 幅が変動する現象であります。ジッタが発生すると、出力のリップル電圧ピーク幅が 増加します。 ・推奨動作条件 正常な回路機能を維持するために必要とされる動作条件を示すもので、実使用におい ては当条件内とする必要があります。 ・絶対最大定格 破壊限界を示す定格であり、瞬時動作及び定常動作において、一項目かつ一瞬たりと も規格値を超えないように配慮する必要があります。 ・電気的特性 各項目に示している条件で動作させた場合の特性値規格であります。動作条件が異な る場合には、規格値から外れる可能性があります。 ・ＰＷＭ (Pulse width modulation) パルス変調方式の一種で、変調信号波（チョッパ型スイッチングレギュレータの場合、 出力電圧）の変化に応じて、パルスの幅を変えて変調する方式であります。 ・ＥＳＲ (Equivalent series resistance) コンデンサの等価直列抵抗値を示します。コンデンサに直列に接続された抵抗と同等 の作用を示します。 EI00068 ２７ SI-8000JF ！注意 ●本書に記載されている内容は、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ご確認下さい。 ●本書に記載されている動作例および回路例は、使用上の参考として示したもので、これらに起 因する当社もしくは第三者の工業所有権、知的所有権、その他の権利の侵害問題について当社 はいっさい責任を負いません。 ●本書に記載されている製品をご使用の場合は、これらの製品と目的物との組み合わせについて 使用者の責任において検討・判断を行って下さい。 ●当社は品質、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。部品の故障により結果として、人身事故、火災事故、社会的な損害等を 発生させないよう、使用者の責任において、装置やシステム上で十分な安全設計及び確認を行 ってください。 ●本書に記載されている製品は、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）に使用されることを意図しております。ご使用の場合は、納入仕様書の締結をお願いし 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、火災・防 犯装置、各種安全装置など）への使用をご検討の際には、必ず当社販売窓口へご相談及び納入 仕様書の締結をお願いします。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、当社の文書による合意がない限り使用しないで下 さい。 ●本書に記載された製品は耐放射線設計をしておりません。 ●本書に記載された内容を文書による当社の承諾無しに転記複製を禁じます。 ご注文に際して ご注文数量は、１００個の整数倍で ご指定くださいますようお願いいた します。 EI00068 ２８