富士時報 Vol.74 No.10 2001 CMOS 力率制御用電源 IC 鹿島 雅人（かしま まさと） 城山 博伸（しろやま ひろのぶ） まえがき in ： n 次高調波成分 以上の式から，力率改善回路により力率を改善すること 現在普及しているほとんどの電子機器では，内部の電子 ができれば入力高調波電流成分を抑制できることが分かる。 回路を駆動するために直流電源を用いているため，交流を 力率とは電圧波形と電流波形の位相のずれのことである 直流に変換する整流回路を必要としている。この整流回路 ので，力率を改善するためには電流波形を制御して電圧波 としてはコンデンサ入力型の回路が主に使われているが， 形と同相の波形としてやればよい。電圧波形と電流波形の 交流入力電圧のピーク時のみに入力平滑コンデンサに電流 位相が完全に一致したときに力率は 1 となる。 が流れるため，入力電流波形がひずんでしまい大量の高調 電流波形を制御するためのアクティブフィルタ回路とし 波電流成分を発生してしまう。また，このときの力率は て用いられる昇圧型コンバータ回路を図２に示す。これは 0.6 前後となってしまう。このような高調波電流成分の増 ダイオードブリッジによる全波整流回路に昇圧型コンバー 加は，電子機器の誤動作といった社会問題を引き起こす原 タ回路を接続したものである。図２の回路のスイッチング 因ともなり，法的な規制を実施する動きがでてきている 素子Ｍ 1 を交流入力電圧の周波数よりも十分高い周波数で （577 ページの「解説」参照） 。また，力率の低下による電 オンオフ動作させ，そのオンとオフの比率を制御して入力 電流波形の平均値を全波整流された入力電圧波形と同相の 力送配電ロスの増加も問題となってきている。 高調波電流および力率の問題を解決するために種々の方 式が提案されているが，小型・軽量で高力率を実現できる 正弦波電流波形とすることで力率を改善する。 その制御方式には，スイッチング素子Ｍ 1 に流れる電流 のピーク値を制御するピーク電流モード制御とリアクトル ことからアクティブフィルタ方式が広く使われている。 富士電機でも，これまでにアクティブフィルタ制御用 L1 に流れる連続的な電流を制御する平均電流モード制御 IC（Integrated Circuit）として平均電流モード制御の力 率制御用電源 IC である FA5331P/M および FA5332P/M 図１ コンデンサ入力型整流回路とその入力電圧・電流波形 を製品化しているが，今回新たにピーク電流モード制御の 入力電圧 力率制御用電源 IC である FA5500P/N および FA5501P/N 入力電流 を開発したので紹介する。 ＋ 力率改善回路の概要 （a）回路図 （b）入力電圧・電流波形 コンデンサ入力型整流回路とその入力電圧・電流波形を 図１に示す。入力電流は入力電圧のピーク付近のわずかな 期間に流れるだけであり，大量の高調波電流成分が発生し 図２ 昇圧型コンバータ回路 ている。高調波電流の存在は力率を低下させるが，その関 L1 係は次式で表すことができる。 2 PF ＝ 1/ 1＋THD ＋ THD ＝ （i2 2＋i32＋…in2 ） /i12 PF M1 ：力率 THD ：全高調波ひずみ率 il ：入力電流基本波成分 鹿島 雅人 城山 博伸 スイッチング電源制御 IC の開発 スイッチング電源制御 IC の開発 に従事。現在，松本工場 IC 開発 に従事。現在，松本工場 IC 開発 部。 部。 551（ 7 ） 富士時報 CMOS 力率制御用電源 IC Vol.74 No.10 2001 図３ ピーク電流モード制御と平均電流モード制御との入力電 図４ FA5500 と FA5501 の外観 圧・電流波形の比較 入力電圧 入力電流 平均 入力電流 （a）ピーク電流モード制御 （b）平均電流モード制御 表１ ピーク電流モード制御と平均電流モード制御の比較 制御方式 ピーク電流モード制御 平均電流モード制御 機 種 FA5500/FA5501 FA5331/FA5332 発 振 自励発振 他励発振 周 波 数 可変 固定 出力容量 小（約 200 W以下） 大（約 200 W以上） 適用製品 照明器具，パソコンなど インバータなど 図５ 内部ブロック図 MUL 3 VCC 8 VREF ＋ FB 1 − COMP 2 2.5 A 誤差 増幅器 VREF VDD VOVP VZCD VOS VSP 乗算器 AOC ＋ − − VSP 7 OUT R S SP ＋ Q VOVP の 2 種類がある。図３にピーク電流モード制御と平均電流 ＋ GND 6 低電圧 誤動作 防止 VOS ＋ − モード制御との入力電圧・電流波形の比較を示す。なお， 基準 電圧 − ＋ − OVP 実際の製品に用いられる場合には通常どちらの方式の場合 R R OVP SP タイマ VZCD 4 5 IS ZCD でもアクティブフィルタ回路と交流入力電圧との間に高周 波用のフィルタを挿入して使用する。このフィルタの作用 により，入力電流は図３の破線で示された平均入力電流に 近くなる。 また，表１にピーク電流モード制御と平均電流モード制 御の比較を示す。表１に示したとおり，適用製品は両モー ド制御を比較した場合，一般的には出力容量の差で決まっ てくる。比較的大きい出力容量（約 200 W 以上）に適し スタートアップ 20 μA，動作時 2 mA （2 ） 軽負荷補正回路により，定格負荷から無負荷までの定 電圧制御が可能 （3） FB ショート検出回路により，出力電圧検出部が異常 になった場合に回路動作を停止 た平均電流モード制御の FA5331P/M と FA5332P/M が （4 ） 過電圧保護機能内蔵 インバータなどでの使用を目的としているのに対して，今 （5） 低電圧誤動作防止回路のオン電圧による系列化 回開発したピーク電流モード制御の FA5500P/N と FA FA5500P/N ： 11.5 V オン/9 V オフ 5501P/N は比較的小さい出力容量（約 200W 以下）に適 FA5501P/N ： 13 V オン/9 V オフ しており，照明器具，パソコンなどでの使用を目的として （6 ） リスタートタイマ内蔵 いる。 （7） パワー MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を直接駆動可能 製品の概要 今回開発した IC は各種の機能を内蔵し，8 ピンの DIP 出力ピーク電流：ソース 500 mA，シンク 1 A ３.２ 軽負荷補正回路 （ Dual In-line Package） ま た は SOP（ Small Out-line 従来の力率制御回路では，力率制御 IC の内部回路のオ Pakage）に収められている。 図 ４ に外観を， 図 ５ に内部 フセット電圧の影響で軽負荷時に出力電圧が上昇してしま ブロック図を示す。 うという問題が発生していた。 ３.１ 特 長 トオフセットコントロール（AOC）回路を設けて IC 内部 本 IC ではその対策として内部の電流コンパレータにオー 本 IC の特長は以下のとおりである。 （1） 30 V 高 耐 圧 CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスにより，低消費電力を実現 552（ 8 ） の電圧オフセットを回路的に補正している。このように軽 負荷時に内部回路のオフセット電圧を補正することで，定 格負荷から無負荷までの定電圧制御を可能としている。 富士時報 CMOS 力率制御用電源 IC Vol.74 No.10 2001 図６ 応用回路例 600 V 4 A 80∼264 Vac 680 kΩ 2,200 pF 5D11 470 kΩ 2SK3520 3A ＋ 100 F 47 kΩ 0.47 F 0.22 F 410 V 100 W ERC25-06 390 H 0.22 F 2,200 pF 470 kΩ 10 kΩ 0.1 Ω ERA91-02 100 kΩ 680 kΩ 22 Ω 33 Ω 100 kΩ 220 Ω 47 kΩ 5.6 Ω FB ERA91-02 680 kΩ VCC COMP OUT 9.1 kΩ 0.47 F MUL GND IS ZCD FA5501 ＋ 0.1 F 100 F 2,200 pF ERA91-02 0.01 F 図７ 入力電圧・電流波形 応用回路例 〈条件〉入力：100 Vac 50 Hz，出力：100 W 図６に応用回路例として本 IC を使用した 100 W 出力の 入力電流 1 A/div 0→ アクティブフィルタ回路を，図７に入力電圧・電流波形を 示す。電流波形が電圧波形と同位相の正弦波となっており， 力率がほとんど 1 に近い値に制御されていることが分かる。 また，電流波形は入力部のフィルタにより平均化されて正 弦波となっていることが分かる。 入力電圧 100 V/div 0→ あとがき ピーク電流モード制御の力率制御用電源 IC の概要につ 5 ms/div いて紹介した。力率改善回路のニーズはより一層高まって いくものと予想される。今後さらに，力率制御回路と DC 出力を制御するための PWM（Pulse Width Modulation） 制御回路を一体化した IC の開発などを行い，市場の要求 ３.３ FB ショート検出回路 にこたえていく所存である。 FB ショート検出回路を設けて，FB 端子入力がグラウ ンドなどとショートした場合やオープンとなった場合に IC の出力を停止させている。これにより，従来必要であっ た外部保護回路を削除することができる。 参考文献 （1） 黒 田 栄 寿 ほ か ． 力 率 改 善 制 御 用 IC． 富 士 時 報 ． vol.67， no.2，1994，p.121- 125． 553（ 9 ） ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。