富士時報 Vol.73 No.8 2000 1 チャネル CMOS DC-DC コンバータ制御 IC 野村 一郎（のむら いちろう） まえがき 図１ FA7700V と FA7701V の外観 DC-DC コンバータはバッテリーなどの直流電源を入力 とするスイッチング電源であり，小型，軽量，高効率とい う特長から，民生機器，産業機器に広く使われている。 最近では，環境保護への配慮から国内外を問わず省エネ ルギーの 規格 を 導入 する 対象分野 が 増 え，かつ， 規格 が 年々厳しくなるため，電源の高効率化が従来にも増して重 要になってきている。 この要求にこたえ，富士電機では IC の CMOS（Complementary MOS） 化 および MOSFET（ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor） 駆動化 により 電源 の 省電力化 を 実現 した DC-DC コンバータ 用制御 IC「 FA 7700V， FA7701V」を 開発 したので，ここにその 概要 を 報告する。 （5） オンオフ機能：待機時消費電流＝約 40 μA （6 ） ソフトスタート機能：起動時にデューティサイクルを 製品の概要 徐々に広げて，電源入力の突入電流と電源出力電圧のオー バシュートを抑制する。 図１に FA7700V と FA7701V の外観を示す。 （7） タイマ・ラッチ方式の短絡保護機能：短絡検出から設 定時間後に遮断動作を行う。ヒステリシス付きでノイズ に対し安定な動作が可能である。 ２.１ IC 全体の特長 FA7700V，FA7701V は 1 チャネル制御 IC である。 駆動するスイッチング素子のスイッチング周期に対する オン時比率（デューティサイクルともいう）の制御により 電源出力電圧を安定化させる基本機能のほか，下記の特長 （8） 低電圧誤動作防止（UVLO：Under Voltage Lock-Out） 回路：VCC 端子電圧 が 低下 （ 約 2 V 以下 ）するとすべ ての動作をリセットする（詳細は後述）。 （9） 消費電流が小さい： ™スイッチング動作時 1.2 mA（標準）〔200 kHz〕 を有する。 （1） 電源電圧範囲が広い： VCC ＝ 2.5 ∼ 18 V （2 ） 各回路方式に適した IC を選択可能： ™FA7700V：昇圧用，フライバック用， 最大デューティ＝ 80 ％（最小） ™ FA7701V：降圧用，最大デューティ＝ 100 ％ （3） n チャネルまたは p チャネル MOSFET を直結駆動可 ™ 短絡保護動作時 0.9 mA（標準）〔200 kHz〕 （10） 動作周波数：50 kHz ∼ 1 MHz （11） パッケージ（ TSSOP-8）が 小型：外形寸法 の 最大 は 縦 6.7 ×横 3.4 ×取付け高さ 1.3（mm）である（リード ピンを含む）。 （12） 外付け部品が少ない：抵抗 4 ∼ 6 個，コンデンサ４個 能： ™ OUT 端子ハイサイドオン抵抗＝ 10 Ω（標準） ™ OUT 端子ローサイドオン抵抗＝ 5 Ω（標準） （4 ） 高精度基準電圧：0.88 V＋ −2 ％ 野村 一郎 スイッチング電源制御，シリーズ 電源制御などのリニア IC の開発 に従事。現在，松本工場半導体開 発センター IC 開発部。 432（12） 2.0 mA（標準） 〔1 MHz〕 （電源出力電圧の帰還用抵抗 2 ∼ 3 個を含む） 。 参考 として， 図 ２ に FA7700V， 図 ３ に FA7701V のそ れぞれ内部ブロック図を示す。 富士時報 1 チャネル CMOS DC-DC コンバータ制御 IC Vol.73 No.8 2000 （6 ） 約 2.2 V ＜ VCS ：短絡保護動作 。 OUT 端子 のデュー ティサイクルを 0 ％ にしてスイッチングを 停止 する。 ２.２ 動作説明 （5） （6 ） FA7700V，FA7701V に共通の動作につき前節 ， ， （7） の三つの機能を持つ CS 端子を中心に説明する。 図４に示す CS 端子電圧 VCS VCS は「VCC 端子電圧」と「約 5.5 V」のいずれか低い 方でクランプされる。 と動作モードの関係に対応 して，動作は次のとおりである。 図４ CS 端子電圧と動作モードの関係 （1） VCS ＜約 0.3 V：オフモード。スイッチング停止，かつ， 消費電流 40 μA（標準）となる。 （3） 約 0.6 V ＜ VCS ＜約 1 V：ソフトスタート動作。IC 内 」 部の「三角波発振器（約 0.6 V から約 1.1 V の間で発振） と「VCS」の交点でデューティサイクルを決定。 （4 ） 約 1 V ＜ VCS ＜約 1.5 V：定常動作。IC 内部の「三角 波発振器」と「誤差増幅器出力電圧＝ FB 端子電圧 VFB」 CS端子電圧 V cs（V） 「VCC端子電圧」と「5.5V」のいずれか低い方の電圧 （2 ） 約 0.3 V ＜ VCS ＜約 0.6 V：内部回路全体が動作開始。 2.2V 1.5V 1V 0.6V 0.3V の交点でデューティサイクルを決定し，電源出力電圧を 一定に制御する。VCS は約 1.5 V でクランプされる。 （5） 約 1.5 V ＜ VCS ＜約 2.2 V：短絡検出 。 VFB ＞約 1.5 V 定常動作 オフ ソフト モード スタート になると，VCS の 1.5 V のクランプが外れ，外付け抵抗 短絡 検出 短絡保護 時 間 t を介して CS 端子外付けのコンデンサを充電する。この とき VCS， VFB ＞約 1.1 V（ 三角波上限 ）のため， 最大 デューティサイクルで動作する。 図５ FA7700V の昇圧回路例 図２ FA7700V の内部ブロック図 3.4∼11V 820 （3.0∼11V） kΩ RT 1 8 CS UVLO VREF 0.3V CS REF 2 OUT 6 GND 5 SC802-04 ＋ OSC S.C.P 1.5V BIAS IN− 3 10 H VCC 7 8 − VREF 2.2V 0Ω 0.33 F ON/ OFF ON/ OFF 100 F 1.5V 0.88V FA7700 S.C.DET ON/OFF 1 RT 7.5kΩ 6 OUT OFF ＋ ＋ − ER.AMP 2SK 1467 2.2V − ＋ − ＋ 7 VCC − ＋ Power Good Signal ＋ 2 REF 3 IN− 0.1 F 100 12V F 200mA （50mA） 4 FB PWM FB 4 2.4kΩ 5 GND 30kΩ＋330Ω 図６ FA7701V の降圧回路例 図３ FA7701V の内部ブロック図 4.7∼18V RT 1 8 CS UVLO VREF 0.3V ON/ OFF − REF 2 VREF 2.2V BIAS IN− 3 S.C.P 1.5V 1.5V 0.88V OUT 6 GND 5 10 H 100 3.3V F 0.8A FA7701 2.2V ON/OFF OFF 6 OUT − 1 RT 7.5kΩ ＋ ER.AMP 8 7 VCC − FB 4 2SJ416 VCC 7 SC802 -04 − ＋ ＋ 0.1 F − S.C.DET ＋ Power Good Signal ＋ 100 F 0Ω ON/ OFF CS ＋ OSC 820kΩ PWM 2 REF 3 IN− 0.1 F FB 4 1.2kΩ 3.3kΩ 5 GND 433（13） 富士時報 1 チャネル CMOS DC-DC コンバータ制御 IC Vol.73 No.8 2000 （7） 短絡保護 の 解除：短絡保護 の VCS しきい 値電圧 の 約 図６は 降圧回路 の 例 であり， 外付 けのトランジスタ Q1 0.2 V のヒステリシスにより， VCS ＜約 2 V になるとス がオンでオフモードとなり消費電流が約 40 μA に，Q1 が イッチングを再開する。 オフでスイッチング動作を開始する。 （8） VCS のリセット ：VCC 端子電圧＜約 2 V になると 前 上記 2 回路について，外付け MOSFET のスイッチング 述の UVLO 回路が働き，OUT 端子のデューティサイク 波形を図７，図８に示す。ゲート電圧，ドレイン電圧の波 ルを 0 ％にしてスイッチングを停止するとともに，VCS 形に示すとおり，30 ∼ 50 ns 程度の高速スイッチングをし を約 0 V まで引き下げ，電源投入前の状態にリセットす ているため，これらの MOSFET のスイッチング損失（ター る。 ンオン時またはターンオフ時の電力損失）を小さくできる。 図９， 図１０に 上記 2 回路 の 電力変換効率 （ ＝出力電力/ 応用回路例 入力電力 ）データを 示 す。 図９ の 昇圧回路 では， 出力 12 V/200 mA と 12 V/50 mA の 2 種で約 83 ∼ 98 ％の高効率 図 ５ に FA7700V， 図 ６ に FA7701V の 応用回路例 を 示 を得ている。入力電圧が高くなるにつれて MOSFET の導 す。2 回路とも実用レベルの DC-DC コンバータでは比較 通時間が短くなるため，MOSFET のオンロス（導通時の 的高い周波数である 470 kHz で動作する例であり，インダ 電力損失）が小さくなり，効率が高くなる。図１０の降圧回 クタ値や入出力の電解コンデンサの容量値を小さくできる 路 では， 出力 3.3 V/0.8 A と 3.3 V/0.2 A の 2 種 で 約 70 ∼ ため，電源の小型化に有効である。 94 ％ の 効率 である。 入力電圧 が 高 くなるにつれてゲート 図５は昇圧回路の例である。最大デューティサイクルが の駆動電力増大（ゲート電圧の振幅増大による）と外付け 80 ％ （ 最小 ）のため， 回路 の 電力損失 を 考慮 しても， 最 ダイオードの電力損失増大（導通時間増大による）のため 大 3 ∼ 4 倍程度までの昇圧比が得られる。 効率が低下するが，入力電圧が 6 V 以下の比較的低い領域 では 85 ∼ 94 ％の高効率となっている。 図７ 昇圧回路 n チャネル MOSFET のスイッチング波形 なお， 電源入力 を 図５ では 3.4 ∼ 11 V， 図６ では 4.7 ∼ （VCC ＝ 3.4 VDC，出力 12 V/0.2 A） 図９ 昇圧回路の電力変換効率データ（470 kHz スイッチング） 100 出力12V/200mA ゲート電圧 VGS（2 V/div） 95 ドレイン電圧 VDS（5 V/div） 効 率η（％） 90 85 出力12V/50mA 80 75 70 65 60 2 （500 ns/div） 4 6 8 10 12 電源入力電圧 V cc（V） 図８ 降圧回路 p チャネル MOSFET のスイッチング波形 （VCC ＝ 5 VDC，出力 3.3 V/0.8 A） 図１０ 降圧回路の電力変換効率データ （470 kHz スイッチング） 100 95 ゲート電圧 VGS（2 V/div） 効 率η（％） 90 ドレイン電圧 VDS（2 V/div） 出力3.3V/0.8A 85 80 75 70 出力3.3V/0.2A 65 60 （500 ns/div） 434（14） 4 6 8 10 12 14 電源入力電圧 V cc（V） 16 18 富士時報 1 チャネル CMOS DC-DC コンバータ制御 IC Vol.73 No.8 2000 18 V としたが， 出力電圧設定 ， 外付 け 素子 の 特性 ， 回路 実，同期整流方式の採用などで高効率化に対応し，製品系 方式などによっては各 IC とも 2.5 ∼ 18 V の範囲内で動作 列を拡大していく所存である。 が可能である。 参考文献 あとがき （1） 野村一郎・有村健一：DC- DC コンバータ制御 IC，富士時 報，Vol.68，No.7，p.403- 406（1995） 電源の高効率化のために，MOSFET 直結駆動と，待機 （2 ） 丸山宏志： カレントモード 電源用 CMOSIC， 富士時報 ， 時および動作時の低消費電力化を実現した，1 チャネル出 Vol.71，No.8，p.430- 433（1998） 力タイプの DC-DC コンバータ用制御 IC（2 型式）の概要 （3） 山田谷政幸： 3 チャネル DC- DC コンバータ用 IC，富士時 を紹介した。 報，Vol.71，No.8，p.434- 437（1998） 富士電機は今後も電源の高効率化，小型化，軽量化の動 （4 ） 遠藤和弥：6 チャネル DC- DC コンバータ用 IC，富士時報， 向にマッチすべく，さらなる IC の小型化，保護機能の充 Vol.71，No.8，p.438- 441（1998） 技術論文社外公表一覧 標 題 所 属 氏 名 発 表 機 関 ポルフィリンを用いるマグネシウムの蛍光 検出ー FIA 装置の開発 富士電機総合研究所 〃 大戸時喜雄 野田 直広 Journal of Flow Injection Analysis（FIA 研究会会誌） ， 17，1（2000） 究会 かざし型非接触 IC カード リーダ/ライタ 事 日本工業出版 フローインジェ クション分析研 室 近藤 史郎 情報端末，7 月号（2000） 新 事 業 推 進 室 〃 〃 〃 〃 須藤 業 花澤 真人 和田 崇徳 岡江 功弥 瀬谷 彰利 電気化学 および 工業物理化学 ， 電気化学会 68，9（2000） 走査型プローブ顕微鏡による磁気ディスク 上液体潤滑剤の高分解能観察 富士電機総合研究所 熊谷 明恭 トライボロジ，7 月号（2000） 新樹社 Fiber Bragg grating temperature sensor for practical use 富士電機総合研究所 〃 平山 紀友 佐野 安一 ISA 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