富士時報 Vol.78 No.4 2005 擬似共振電源制御 IC 特 集 丸山 宏志（まるやま ひろし） 城山 博伸（しろやま ひろのぶ） 打田 高章（うちだ たかあき） 図１ 製品の外観 まえがき DIP-8 近年，地球温暖化問題が注目され，電気製品全般での省 エネルギー化要求，製品別の待機電力規制などが年々厳し さを増している。 このような状況の中，富士電機では商用交流電源（AC 100 V，240 V）を直流電源に変換する AC-DC コンバータ 用スイッチング電源の制御 IC として，省エネルギーに対 SOP-8 応した製品を開発してきた。中でも起動素子内蔵タイプと 呼ばれる待機電力低減に有効な制御 IC の製品化を推進し ており，固定周波数動作の PWM（Pulse Width Modulation）制御 IC「FA5516」シリーズなどを開発している。 このタイプの IC は AC100 ∼ 240 V といった高電圧の入力 電圧からスイッチング開始前に起動電流を制御 IC の VCC 図２ FA5531 のチップ 端子に供給し，スイッチング動作を開始してトランスによ り二次側電圧が立ち上がると起動電流をカットする機能を 持つ高耐圧起動素子を内蔵している。従来は起動抵抗を用 いて IC が動作している間は常時流れていた起動電流を， 必要なときだけ流すように切り換えることが可能になった。 今 回 ， 起 動 素 子 内 蔵 タ イ プ の 疑 似 共 振 電 源 制 御 IC 「FA5530」 「FA5531」を開発したのでその概要を紹介する。 製品の概要 ２.１ 特 徴 FA5530，FA5531 は，擬似共振型の制御方式を採用し たスイッチング電源用に開発した AC-DC 電源制御 IC で ある。補助巻線電圧でパワー MOSFET（Metal-OxideSemiconductor Field-Effect Transistor）のドレイン電圧 のチップを示す。IC の特徴は以下のとおりである。 を間接的に監視し，トランスに蓄積したエネルギーを二次 （1） 500 V 耐圧の JFET（Junction Field Effect Transis- 側に供給し終わったあとの共振振動の電圧ボトムでタイミ tor）を内蔵し，VCC 端子の電圧で VH 端子から充電電 ングを取って次のサイクルのオンを行わせることで，ス 流を供給・停止する。 イッチングロスを低減し，高効率・低ノイズ化を容易にす 電流供給時：7 ∼ 3.5 mA（VCC ＝ 0 V ∼ UVLO オフ） ることができ，プリンタ用や液晶テレビ用電源などノイズ 図 １ に製品の外観（DIP-8，SOP-8） ， 図 ２ に FA5531 294（46） 電流停止時：20 µA （2 ） 軽負荷時に疑似共振方式ではスイッチング周波数が高 対策が課題となるアプリケーションに適している。 くなるが，その上限スイッチング周波数を制限し，また 丸山 宏志 城山 博伸 打田 高章 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 スイッチング電源制御 IC の開発 に従事。現在，富士電機デバイス に従事。現在，富士電機デバイス に従事。現在，富士電機デバイス テクノロジー株式会社半導体事業 テクノロジー株式会社半導体事業 テクノロジー株式会社半導体事業 本部半導体工場情報・電源開発部。 本部半導体工場情報・電源開発部。 本部半導体工場情報・電源開発部。 富士時報 擬似共振電源制御 IC Vol.78 No.4 2005 FB 端子電圧（二次側からのフィードバック電圧）が る。これを利用してドレイン電圧が極小点まで下がったと 1.3V より低下すると上限周波数をリニアに低下させる きにタイミングを合わせて次のサイクルのオンを行うこと ことでスイッチング回数を低減させる。 でトランスを流れる電流がゼロでドレイン電圧も小さいと 上限スイッチング周波数：65 kHz（FA5530） きにスイッチングさせるため，スイッチングロスやノイズ 特 を低減することができる。 集 130 kHz（FA5531） 最低スイッチング周波数：1 kHz（FA5530，FA5531） （3） ZCD 端子は補助巻線電圧の立下りを検出する端子で， しきい値電圧は VHL ＝ 62 mV，VLH ＝ 152 mV のヒステ 図３の ZCD 端子はトランスの補助巻線から抵抗を介し て接続され，一次巻線に接続されるパワー MOSFET のド レイン波形とほぼ同じ形状で巻き数比分の１の振幅波形が リシス付き，また ZCD 入力電圧の上限は 9.2 V（Izcd ＝ グラウンドレベルを中心にして現れる。この波形がハイ側 3 mA） ，下限は−0.75 V（Izcd ＝−2 mA）でクランプさ から下がってグラウンドレベルになるタイミングを検出し れる。さらに外部から 8 V 以上にプルアップすることで てオントリガを出し（立下りエッジ信号） ，遅れ時間込み 強制的にラッチ停止させることができる。 で実際のボトムでオンするように調整される。 （4 ） VCC 端子はヒステリシスを持つ UVLO（低電圧誤動 図 ４ に負荷状態（出力電力 Po）とパワー MOSFET の スイッチング周波数（fsw）の関係，また図５に負荷状態に 作防止）回路を内蔵している。 VCC ＝ 9.85 V オン/9.10 V オフ よる動作波形変化のイメージを示す。重負荷時にはトラン （5） IS 端子は，外部 MOSFET の電流をモニタする端子 スがエネルギーを放出後，共振状態に入り最初の電圧ボト で，最大入力レベルは 1 V である。オン時のノイズ誤動 ムで次のオンとなる。このときはオン期間も，二次側にエ 作防止のため 380 ns のブランキング時間を設定してい ネルギーを伝送するブライバック期間も長くなるためス る。 イッチング周波数は低い状態である。 ，VCC 端子過電圧（ラッチ） ， （6 ） 過負荷保護（自動復帰） ソフトスタート（1 ms 内部固定）など各種保護機能を 負荷が軽くなるに従って上記の期間が短くなり周波数が 高くなる。FA5531 ではオンから 7.69 µs（130 kHz）を数 えるタイマ（最大 fsw ブランキング）を内蔵し，この期間 内蔵している。 （7） パッケージは，DIP-8 と SOP-8 の 2 種類で，8 ピン は立下りエッジ信号を無効とすることで最大スイッチング に高耐圧起動素子（VH）端子を設定し，7 ピンを未接 図４ 出力電力（負荷）とスイッチング周波数の関係 続（NC）端子にして高電圧対策としている。 スイッチング周波数 f sw ２.２ 軽負荷時動作 図３に IC 全体のブロック図を示す。 擬似共振制御では，パワー MOSFET のオン期間にトラ ンスに蓄積したエネルギーをオフ期間に二次側にフライ バック電圧として伝送し，放出し終わった後，トランスの L とドレイン容量 C との間で共振を起こし電圧が振動す 図３ FA5531 の回路ブロック図 最大 f sw （130 kHz） （1 kHz） 出力電力 P o VH ZCD 立下りエッジ 検出回路 内部トリガ 発生タイマ （5 s） 5V リセット 50 A 起動電流 制御回路 ワンショット パルス 発生回路 （380 ns） 図５ 負荷状態と動作波形 クリア VCC 最大周波数 ブランキング タイマ ＋ 5 V発生 回路 5 V出力 チェック 回路 5V 内部制御用 電源 − 9.85 V/ 9.1 V 電流比較器 S ＋ 125 kΩ − Q OUT − 1V 7.69 s （130 kHz） 最大 低下 f sw （最小1 kHz，1 ms） ZCD端子 検出 立下り エッジ信号 ZCD ソフトスタート 電圧発生器 （1 ms） ＋ 過電圧検出2 − − ＋ 7.69 s （130 kHz） R − 125 kΩ 8V スイッチング 停止レベル検出 0.4 V タイマ 190 ms 1,510 ms タイマ ラッチ （48 s） VCC 無効 − ＋ 過負荷検出 28 V 過電圧検出1 無効 OUT端子 スイッチング パルス ＋ リセット − 3.3 V 最大 f sw 制限 出力 回路 20 kΩ FB パワー MOSFET V ds 波形 低電圧保護回路 周波数低減 最大130 kHz IS 起動電流 供給回路 GND 重負荷 中負荷 軽負荷 295（47） 富士時報 擬似共振電源制御 IC Vol.78 No.4 2005 を受ける FB 端子電圧が 1.3 V 以下に低下すると，前述の 周波数を 130 kHz 以下に制限する。 さらに軽負荷となり，二次側からのフィードバック信号 最大周波数制限を連続的に低減させて，スイッチング回数 を落としていき，最低周波数は約 1 kHz まで低減させるこ 特 。 とができる（図４） 図６ 過負荷時の動作波形 集 ２.３ 過負荷時の動作 V cc 11.55 V 9.85 V 9.1 V 図６に過負荷時の動作波形を示す。過負荷状態は FB 端 子電圧の 3.3 V 以上で検出し，検出後 190 ms のディレイ 時間後スイッチング停止となる。そのため起動時は問題が スタート アップ回路 なければ 190 ms 以内に二次側電圧が正常値に立ち上がり， FB 端子電圧が下がるように平滑コンデンサ容量などを調 整する必要がある。いったん過負荷停止となるとさらに約 3.3 V 8 倍の 1,510 ms 期間まで停止状態を維持して，その後 IC FB端子 はリセットされ再起動する。停止期間中は VCC 電圧が 9.85 V まで低下すると起動素子がオンして，VH 端子から タイマ 動作 の供給で 11.55 V まで持ち上げる動作を繰り返し，1,510 190 ms 190 ms 1,510 ms ms 後に起動回路が動作しなくなり，VCC 端子が UVLO 停止電圧 9.1 V まで下がった時点でリセットが働く。 190 ms タイマ出力 1,650 ms 電源回路への応用 スイッ チング ３.１ 評価用電源 この IC を使った場合の電源回路としての特性を確認す 通常負荷 過負荷 通常負荷 。 るため，評価用の電源を製作し特性を確認した（図７） 製作した電源の主な仕様は以下のとおりである。 図７ 評価用電源回路 C21 Bead 4,700 pF D21 2,200 pF C11 AC80∼ 264 V 470 pF C2 R1 1 MΩ 7 mH D3SBA60 D1 L1 ∼ ＋ T1 ＋ C4 220 F C3 R3 56 kΩ C5 2,200 pF ∼ − F1 3A 0.22 F 470 pF D2 ERA38 -06 J1 D3 ERA15-01 R5 10 Ω R4 7.5 kΩ D22 ＋ ＋ ＋ YG865C15R ×2 C22 C23 C24 Q1 2SK3687 FG R7 4.7 kΩ C29 0.022 F C6 220 pF R8 0.22 Ω R6 100Ω C9 22 pF C7 1,000 pF C8 4,700 pF 7 3 6 N p ：N s ：N sub：57：10：12 4 5 L p ＝360 H R11 100 kΩ 296（48） C10 33 F ERA22-10 D5 C28 0.1 F R27 18 kΩ C27 10 kΩ 0.01 F R28 15 kΩ 8 2 6.8 Ω R14 GND R26 200 kΩ R23 10 kΩ C26 2,200 pF R25 1 FA5531 ＋ ＋ PC1 IC21 LMV431 R12 0Ω ＋19 V 0∼5 A C25 1,000 F R22 2 kΩ D4 SC902 -2 100 Ω R9 PC1 4.7 F L22 ショート C1 R2 1 MΩ 3,300 F ×3 L21 T1 富士時報 擬似共振電源制御 IC Vol.78 No.4 2005 ™入力電圧：AC80 ∼ 264 V，50/60 Hz 数の関係としてグラフ化したものを図１０に示す。中負荷か ™出力：DC19 V，5 A（95 W） ら定格負荷の領域では，出力電力が小さくなるに従い，ス ™保護機能：過負荷保護（自動復帰） ，過電流制限，過 電圧保護（ラッチ） ™使用 IC：FA5531（最大周波数：130 kHz） イッチング周波数が高くなっていることが分かる。一方， 無負荷から中負荷の領域では，100 ∼ 110 kHz をピークと 特 して負荷が軽くなるに従いスイッチング周波数が低下して 集 いく様子が分かる。 ３.２ 最大周波数制限 定格負荷時のスイッチング波形を図８に示す。定格時の 波形を見ると，共振のボトムでターンオンしていることが 分かる。このときスイッチング周波数は約 40 kHz である。 ３.３ 無負荷時の入力電力 一般の電気製品に使用される電源回路が，無負荷で動作 する状態は，例えば AC アダプタをコンセントに差し込ん 約 30 ％負荷（出力電流 1.6 A）の場合のスイッチング波 だまま，これを利用する機器側を動作させていないような 形を図９に示す。一般に擬似共振方式の場合，負荷が軽く 場合に見られる。この場合，機器側は動作していないので なるに従ってスイッチング周波数が上昇していくが，この あるから，無負荷時の入力電力はすべて損失となってしま IC は上限周波数を制限する機能を有しており，スイッチ う。省エネルギーの観点から見ると，この無負荷時の入力 ング周波数が上限に達すると，共振のボトムをスキップす 電力を削減することも非常に重要なこととなる。 ることでスイッチング周波数の上昇を抑えることができる。 今回製作した評価用電源で無負荷時の入力電力を測定し 図９では共振のボトムを一つスキップして二つめのボトム た結果を図１１に示す。この評価用電源の無負荷時入力電力 でターンオンしている部分が現れていることが分かる。 は，AC100 V の場合 67 mW，AC240 V の場合 120 mW と この周波数変化の様子を，出力電流とスイッチング周波 小さく抑えることができた。市場での無負荷時の入力電力 に対する要求は使用されるセットにもよるが，300 mW 以 図８ 定格負荷時のスイッチング波形（入力 100 Vac） 下程度を求められるケースが多く，これに対し今回の評価 図１０ スイッチング周波数特性 MOSFETドレイン電圧 （100 V/div） スイッチング周波数（kHz） 120 0 100 80 60 40 100 Vac 240 Vac 20 5 s/div 0 0 1 2 3 4 5 250 300 出力電流（A） 図９ 30 ％負荷時のスイッチング波形（入力 100 Vac） 図１１ 無負荷時の入力電力特性 MOSFETドレイン電圧 （100 V/div） 160 入力電力（mW） 140 120 100 80 60 40 20 0 5 s/div 0 50 100 150 200 入力電圧（Vac） 297（49） 富士時報 擬似共振電源制御 IC Vol.78 No.4 2005 図１２ 無負荷時のスイッチング波形（入力 100 Vac） 負荷時には，スイッチング周波数を低下させることでス イッチングロスが削減できる。 もう一つは，IC に内蔵した起動回路の効果である。従 特 MOSFETドレイン電圧 （100 V/div） 集 来の IC の場合，起動回路として抵抗を外付けしていた。 この抵抗では電源が動作を開始した後も，例えば 100 mW 程度の損失が常時発生していた。一方，今回の IC の場合， 内蔵された起動回路により，電源が動作を開始した後は起 動回路での損失をほとんどゼロとすることができる。この 効果により無負荷時の入力電力を削減できる。 あとがき 0 200 s/div 起 動 素 子 内 蔵 の 擬 似 共 振 電 源 制 御 I C 「 FA5530 」 「FA5531」について紹介した。この系列の IC として過負 荷ラッチ停止動作の「FA5532」も現在系列化中である。 今後，起動素子内蔵タイプの制御 IC は待機電力低減要 用電源では余裕を持ってクリアできる値である。 無負荷時の入力電力を小さく抑えることができたのは， 大きく二つの要因が考えられる。 求に対し，部品点数を増加させずに要求を実現していくた めには必須の機能となることが予想され，さまざまな要望 に対応するためさらなる系列化を進めていく所存である。 一つは，軽負荷時にスイッチング周波数を低下させる機 能の効果が挙げられる。図１２にこの評価用電源の無負荷時 のスイッチング波形を示す。この図からスイッチング周波 数が約 1 kHz まで低下していることが分かる。無負荷や軽 298（50） 参考文献 （1） 丸山宏志ほか．起動素子付き低待機電力対応電源 IC．富 士時報．vol.76, no.3, 2003, p.149- 152. ＊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。