SI-8050HFE アプリケーション ノート チョッパ型スイッチングレギュレータＩＣ SI-8050HFE 第 2 版 2013 年 12 月 サンケン電気株式会社 SI-8050HFE －－－ 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 ２．製品仕様 ３．SI-8050HFE の動作説明 ３－１ PWM 出力電圧制御 －－－－－－－－－－ 7 ３－２ 過電流・過熱保護 －－－－－－－－－－ 8 ４．使用に際しての注意事項 ４－１ 外付部品選定上の注意 －－－－－－－－－－ 9 ４－２ パターン設計上の注意 －－－－－－－－－－ 14 ４－３ 動作波形の確認 －－－－－－－－－－ 16 ４－４ 電源の安定性 －－－－－－－－－－ 17 ４－５ 熱設計 －－－－－－－－－－ 21 ５－１ ソフトスタート －－－－－－－－－－ 23 ５－２ 出力 ON･OFF 制御 －－－－－－－－－－ 24 ５－３ スパイクノイズの低減 －－－－－－－－－－ 25 ５－４ 逆バイアス保護 －－－－－－－－－－ 25 ６．代表特性例 －－－－－－－－－－ 26 ７．用語解説 －－－－－－－－－－ 27 ５．応用 ２ SI-8050HFE １．概要 SI-8050HFE 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 たチョッパー型スイッチングレギュレータＩＣです。Vo=5v の出力固定品ですが、外付 けに抵抗 2 本を追加することで、上昇のみ可変が可能です。 5 点の外付け部品で高効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５．５Ａ TO220F クラスの外形で、出力電流が最大 5.5Ａです。 ・高効率８３％(VIN=15V/IO=3A) 高効率の為発熱が小さく、放熱器も小型にする事が出来ます。 ・外付部品５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出来ます。 ・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 垂下型過電流保護及び過熱保護回路を内蔵しています。（自動復帰型） ・ソフトスタート機能（出力 ON/OFF 可能） 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事が 出来ます。又出力の ON/OFF 制御も可能です。 ・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） ３ SI-8050HFE ２．製品仕様 ●２－１ SI-8050HFE 外形図 (ﾘｰﾄﾞﾌｫｰﾐﾝｸﾞ No : LF1113) 単位：㎜ Unit：㎜ ●端子配列 1：IN 2：SW 3：GND 4：Vos 5：SS ●製品質量：約 2.3ｇ Products Weight ： ●Approx.2.3g 外部端子処理：Sn-3Ag-0.5Cu ﾃﾞｨｯﾌﾟ ４ SI-8050HFE ●２－２ 定格 絶対最大定格 項目 記号 定格値 入力電圧 VIN 43 *1 V 無限大放熱時許容損失 Pd1 25 W 放熱板未使用時許容損失 Pd2 1.72 W 接合部温度 Tjmax 保存温度 Tstg 150 単位 *1 ﾟC -40～+150 ﾟC *1 過熱保護を搭載しており Tj>130℃で動作する場合があります。125℃以下での設計を推奨し ます。 推奨動作条件 項目 記号 規格値 入力電圧 VIN 8～40 出力電流 IO 0～5.5 A 動作時接合温度 Tjop -30～＋125 ﾟC 電気的特性 電気的特性 単位 (Ta=25℃) 規格値 項目 設定出力電圧 出力電圧温度係数 単位 測定条件 記号 VOUT MIN TYP MAX 4.90 5.00 5.10 ⊿VO/⊿T V mV/℃ ±0.5 VIN=15V，IO=1A ， VIN=15V IO=1A,Tc=0~100℃ η 83 % fo 150 kHz VIN=15V，IO=3A ラインレギュレーション VLine 60 80 mV VIN=10～30V，IO=3A ロードレギュレーション VLoad 20 50 mV VIN=15V，IO=0.2～5.5A 6.5 7.5 A 0.5 V 30 μA VIN=15V，VSS=0V mA VIN=15V，IO=0A μA VIN=15V 効率 *3 動作周波数 過電流保護開始電流 IS 5.6 オンオフ Low レベル電圧 VSSL 端子 *4 Low 時流出電流 ISSL 10 静止時回路電流１ Iq 6 静止時回路電流２ Iq(off) 200 400 VIN=15V,IO=3A VIN=15V VSS=0V ５ SI-8050HFE ●２－３ 回路図 ２－３－① 内部等価回路図 SI-8050HFE VIN C1 1 SW IN C4 5 VOUT C2 Overcurren protection SS ON / OFF C3 Di 過電流保護 PReg L 2 ﾗｯﾁ &ﾄﾞﾗ ｲﾊﾞ ﾘｾｯﾄ Latch&driver Reset 発振器 Soft Start Oscillator Comparator 過熱保護 ｺﾝﾊﾟﾚｰﾀ Thermal protection ADJ 4 ｴﾗ ｰｱﾝ ﾌﾟ Error amp. 基準電圧 Reference voltage GND 3 ２－３－② VIN 1 標準接続図 VIN SW L1 2 VOUT C2：1000μF SI-8050HFE Vos C1 SS C4 C3：0.1μF 程度 4 C2 GND 5 3 Di (ソフトスタート機能使用時のみ) C4：4.7μF（RPER11H475K5 (村田製作所製)） L1：100μH C3 GND C1：1500μF GND Di：FMB-G16L(サンケン製) ６ SI-8050HFE ３．SI-8050HFE の動作説明 ●３－１ ＰＷＭ出力電圧制御 SI-8050HFE 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(≒150KHz)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オンにな 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 VOUT ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ VIN ＰＷＭｺﾝﾊﾟﾚｰﾀ D1 誤差増幅器出力と発振器出力を C2 ＰＷＭコンパレータで比較し、 ドライブ回路 方形波のドライブ信号をさせて 誤差増幅器 スイッチングトランジスタを 発振器 ドライブする。 基準電圧 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時間を短縮させる事により出力電圧を一定に保 ちます。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 タのオン時間を変化させる事により出力電圧を制御しています。 （Vin が高い程スイッチングトランジスタのＯＮ時間は短くなります。） ＰＷＭコンパレータ動作図 発振器出力 誤差増幅器出力 ON OFF ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ出力 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事に なります。 ７ SI-8050HFE ●３－２ 過電流・過熱保護 過電流時出力電圧特性 Vo の低下と共に発振周波数が低下 します。 SI-8050HFE は、垂下型過電流保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電圧を低下させ電流を制限しています。更に出力 電圧が低下しますとスイッチング周波数を約 30KHz までリニアに落とす事で低出力電圧 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 出力電圧 復帰設定温度 保護設定温度 接合温度 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(約 150℃)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 15℃程度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。 ８ SI-8050HFE ４．使用に際しての注意事項 ●４－１ 外付部品選定上の注意 ４－１－① チョークコイルＬ１ チョークコイルＬ１は、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事 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ご使用を避けて 下さい。 ｂ）インダクタンス値が適正である事 チョークコイルのインダクタンスは、大きい程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。出力電圧のリップル電圧が大きくなりすぎますと安定動作しなくなり波形飛びや、 ジッターが発生する場合があります。 出力電圧のリップル電圧は設定出力電圧に対し目安として 1%以下になる事を推奨して います。 出力電圧のリップル電圧はΔIL と出力コンデンサの ESR（等価直列抵抗）の積で決まり ますので出力コンデンサの ESR が大きすぎても問題が発生しますので、出力コンデンサ の選定とあわせて考慮する必要があります。 Vout リップル＝ΔIL×出力コンデンサの ESR ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ大 ﾘｯﾌﾟﾙ電圧･電流小 C2 ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ小 ﾘｯﾌﾟﾙ電圧･電流大 C2 ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽが大きい程、ﾘｯﾌﾟﾙ電流･電圧は小さく ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽが小さい程、ﾘｯﾌﾟﾙ電流･電圧は大きく なる。但し、ｺｲﾙの外形は大きくなる。 なる。但し、ｺｲﾙの外形は小さくなるが、不安定 動作になりやすい。 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、（１） 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。但し Vout リップルの値も あわせて満足する値にする必要がありますので注意ください。 ９ SI-8050HFE 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イン ダクタンス下限を設定します。 ・使用出力電流が SI-8050HFE の最大定格(5.5A)に近い場合：出力電流×0.1 倍程度 ・使用出力電流が大略 3A 以下の場合：出力電流×0.3～0.4 倍 L1 例えば (VIN VOUT ) VOUT IL VIN f VIN=25V. L1 VOUT=5V. ΔIL=0.5A. －－－（１） 周波数=150KHz とすると、 (25 5) 5 ≒ 53.3uH 0.5 25 150 10 3 となりますので、インダクタンスが約 54uH のコイルを選択すればよい事になります。 但し、算出されたインダクタンス値によってはスイッチングトランジスタのピーク電流 が増大します。その結果、過電流検出にピーク電流検出方式を採用している為、過電流 検出ポイントが低下する場合がありますので、ご注意ください。 ｃ）定格電流を満足する事 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 でご注意下さい。 ｄ）ノイズが尐ない事 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事があります。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。 １０ SI-8050HFE ４－１－② 入力コンデンサＣ１，Ｃ４ 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でも、SI-8050HFE の近くにレイアウトされていなけれ ば入力コンデンサは平滑コンデンサと兼用とする事が出来ません。 Ｃ１選定のポイントとして次の事が挙げられます。 ａ）耐圧を満足する事 ｂ）許容リップル電流値を満足する事 C1 の電流の流れ IIN C1電流波形 VIN 1.VIN ﾘｯﾌﾟﾙ電流 0 Iv Ip C1 Ton D T Ton T 入力ｺﾝﾃﾞﾝｻのﾘｯﾌﾟﾙ電流は負荷電流の 増加に伴って増大する。 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。尚、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（２）式で求められます。 Irms 1.2 例えば Vo Io Vin －－（２） VIN=20V,Io=3A,Vo=5V とすると、 I r m 1s.2 5 3 0.9 A 20 となりますので、許容リップル電流が、0.9A より大きいコンデンサを選ぶ必要がありま す。 電解コンデンサＣ１とは別に高周波特性の優れたセラミックコンデンサもしくはフイル ムコンデンサのＣ４が必要となります。フイルムコンデンサでは 0.47uF を推奨しますが、 セラミックコンデンサでは電圧印加で容量低下する傾向がある為、4.7uF を推奨します。 C4 は C1 よりも特に製品の近傍にレイアウトする事が重要です。 １１ SI-8050HFE ４－１－③ 出力コンデンサＣ２ 出力コンデンサＣ２は、チョークコイルＬ１と共にＬＣローパスフィルターを構成し、 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。従って入力コンデンサ と同様に、耐圧及び許容リップル電流値を十分なマージンを取った上で満足する必要が あります。 C２の電流の流れ IL Vout L1 C2電流波形 Io ﾘｯﾌﾟﾙ電流 ESR RL 0 ⊿IL 出力ｺﾝﾃﾞﾝｻのﾘｯﾌﾟﾙ電流はﾁｮｰｸｺｲﾙのﾘｯﾌﾟﾙ C2 電流と等しく、負荷電流が増減しても変化 しない。 出力コンデンサのリップル電流実効値は、下記の（３）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。 又、レギュレータの出力リップル電圧 Vrip は、チョークコイル電流の脈流部ΔIL（＝ Ｃ２充放電電流）と出力コンデンサＣ２の等価直列抵抗 ESR の積によって定まります。 Vrip IL C2ESR －－－（４） 従って出力リップル電圧を小さくするには、等価直列抵抗 ESR の低いコンデンサを選 ぶ必要があります。一般的に電解コンデンサにおいては同一シリーズの製品ならば、同 一耐圧で容量が大きい程、又は同一容量で耐圧が高い程（≒外形が大きくなる程）ESR は低くなります。 ここでΔIL=0.5A Vrip=40mV としますと、 C2esr 40 05 . 80m となり、ESR が 80mΩ以下のコンデンサを選べば良い事になります。また ESR は温度 によって変化し一般に低温になると増加しますので、使用温度における ESR を確認する 必要があります。尚 ESR 値はコンデンサ固有のものですのでコンデンサメーカにご問い 合わせ下さい。 １２ SI-8050HFE しかし出力コンデンサの ESR が極端に小さくなりますと（約 10～30mΩ以下）、レギ ュレータの帰還ループ内の位相余裕が不足し、動作が不安定になる恐れがあります。こ の為、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 る事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。 ４－１－④ フライホイールダイオード・Ｄ１ フライホイールダイオードＤ１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為の物です。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。 又 SI-8050HFE の SW 端子（2 番端子）から出力された電圧は入力電圧とほぼ同等である 為、フライホイールダイオードの逆方向耐圧が入力電圧以上あるものをご使用下さい。 フライホイール Di にはフェライトビーズは入れないでください。 １３ SI-8050HFE ●４－２ パターン設計上の注意 ４－２－① 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、出来る限り太く短いパターンとして 下さい。 SI-8050HFE ４－２－② 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に近づけて下さい。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下 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。 C1,C2 C1,C2 悪いパターン例 ４－２－③ 良いパターン例 Vos 端子（出力電圧設定について） ADJ 端子は出力電圧を制御する為のフィードバック検出端子です。出来る限り出力コ ンデンサＣ２に近い所に接続して下さい。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ご注意下さい。 Rex1 及び Rex2 を接続する事で出力電圧の可能が上昇のみ可能です。 出力電圧調整抵抗 Rex1､2 は、次式により求まります。 8050HFE Vout 'Vos S IVos Vos Re x2 ( S 1) IVos Re x1 Ivos o －－－（３） －－－（４） S ：安定係数 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） １４ SI-8050HFE SI-8050HFE の Ivos は 1mA＋66%－40%で考えて下さい。 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。1.66mA 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。0.6mA ● 実装基板パタン例 挿入部品タイプ（SI-8050HFE） SI-8050HFE C4 C1 Top view：部品面 １５ SI-8050HFE ●４－３ 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-8000H の２－３端子間波形(SW-GND 間波 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。 C1、C4 が離れている場合 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為、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。従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。 ところが IC と C1、C4、または 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。前述の通り、C1,C4 はＩＣの 近くに接続する事が必要です。 １６ SI-8050HFE ●４－４ 電源の安定性 ４－４－① 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下図に示します。これよりＰ ＷＭ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。従って出力電圧の変 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。 基 準 電 圧 L1 制御部 基 準 電 圧 ESR -180deg 負帰還ﾙｰﾌﾟ 負荷 C2 0deg 負帰還ループ内の位相は、出力電圧の変動を打ち消す為 180deg 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 180deg 遅れると、位相のずれは 合計で 360deg に達し、安定動作領域を外れて異常発振を起こします。これをバルクハ ウゼンの発振条件といいます。従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事が可能です。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 IN OUT ボード線図例 20dB 0dB 9k 1k -0deg -45deg -90deg ｹﾞｲﾝ 0.1fp 周波数 位相 fp 10fp 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－180deg 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－180deg に達していなければ発振条件 は成立しない事になります。そこで、 １７ SI-8050HFE ゲイン交点における位相－(－180deg)＝ゲイン交点における位相＋180deg を位相が－180deg 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。従って安定動作を保つ為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 ｹﾞｲﾝ特性 ｹﾞｲﾝ特性 ｹﾞｲﾝ交点 0dB 位相特性 ｹﾞｲﾝ交点 0dB 周波数 周波数 位相特性 -180deg 位相余裕 (>0) 位相交点 安定な場合 ４－４－② -180deg 位相交点 不安定な場合 位相余裕 (<0) レギュレータＩＣ内部の位相特性 チョッパ型レギュレータの位相特性は、レギュレータＩＣ内部の位相特性とＬＣフィ ルタの位相特性の合成になります。レギュレータＩＣ内部の位相特性は、一般的には制 御部の遅れ時間と出力誤差増幅器の位相特性で定まります。この内、制御部の遅れ時間 による位相遅れは、実使用上はほとんど問題になる事はありません。従って出力誤差増 幅器の位相特性が重要になります。出力誤差増幅器の位相特性の補正については、レギ ュレータＩＣの種類により、これをＩＣ内部で調整済みとしているものと、ＩＣ外部に 抵抗やコンデンサの外付け部品を接続して位相補正を行うものとがあります。前者の場 合は後述しますＬＣフィルタの選択のみに留意すれば特に問題はありませんが、後者の 場合は製品毎のアプリケーションに従って正しく位相補正を施す事が必要です。 ４－４－③ 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。 １８ SI-8050HFE これはコイルのインダクタンスＬ１とコンデンサの容量Ｃ２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 180deg 遅れる事に なります。 共振周波数ｆLC は ｆLC 1 2 LC －－－（５） 位相特性は 共振周波数ｆLC より低い周波数の位相特性は：0deg 共振周波数ｆLC より高い周波数の位相特性は：-180deg となります。 従って出力平滑用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-180deg に達し、レギュレータとしての位相余裕は 0deg 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、 ＬＣフィルタの位相遅れは 180deg 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事が出来ます。 LCﾌｨﾙﾀ位相特性 L1 0deg ESR VIN 位相遅れ VOUT C2 ESR 大 ESR 小 -180deg ESR 0 周波数 fLC 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。 ４－４－④ ＩＣ内部と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前述のとおり、誤差増幅器と、ＬＣフィルタの 位相特性でほとんど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。 誤差増幅器のゲイン低下開始周波数すなわち第１ポール周波数 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。そこで fp とｆLC の適切な分布が重要になります。 通常、誤差増幅器の位相遅れは、第１ポール周波数 fp の 0.1 倍の周波数から始まりま １９ SI-8050HFE す。そこで位相遅れの集中を避ける為には、ＬＣフィルタの共振周波数ｆLC を誤差増幅 器第１ポール周波数 fp の 0.1 倍未満としておかなくてはなりません。 位相 fpとfLCが近い場合の位相特性 位相 fpとfLCが離れている場合の位相特性 fp fp 増幅部 増幅部 LCﾌｨﾙﾀ LCﾌｨﾙﾀ fLC -180deg fLC -180deg 合成特性 位相遅れ大 位相遅れ小 合成特性 -180deg -180deg 周波数 fp 周波数は、数～十数 KHz 以上に設定されています。 周波数 一般的にチョッパ型レギュレータＩＣの そこで各レギュレータ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。周囲部品の定数は、 各レギュレータＩＣのアプリケーションに従い正しくお選びください。 60 630 50 540 40 450 ｹﾞｲﾝ 30 360 20 270 10 180 0 90 -10 -20 0 位相 -90 -30 -40 100 位相（゜） ｹﾞ ｲﾝ（dB） チョッパーReg ゲイン、位相特性例 -180 1000 周波数 （Hz） -270 10000 ２０ SI-8050HFE ●４－５a 熱設計（挿入部品 SI-8050HFE） ４－５a－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。 Pd(損失) Tj ｼﾞｬﾝｸｼｮﾝ 温度 (125℃ MAX) チップ θ jc(接合－ｹｰｽ 間熱抵抗) 5℃ /W ケース Pd Tj Tc －－－（６） jc Pd Tj Tfin －－－（７） jc i Pd Tj Ta －－－（８） jc i fin Tc ｹｰｽ 温度(内部ﾌﾚｰﾑ温 度) 放熱器 θ i(ｹｰｽ－ 放熱器間熱抵抗) 0.4～ 0.6℃ /W Tfin 放熱器温度 θ fin(放熱器熱抵抗) Ta 周囲温度 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、ＰｄＭＡ Ｘ，ＴａＭＡＸに応じた放熱器設計（θｆｉｎの決定）が必要になります。これらを分 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 VOUT Pd VOUT 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。 又計算にて必要な放熱器の熱抵抗を求める事も出来ます。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-8050HFE を VIN=15V,Vo=5v,Io=4A,Ta=85℃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=80%、Vf=0.5V として、 5 100 Pd 5 4 1 0.5 4 1 ≒ 3.67W 80 15 125 85 i fin 5 ≒ 5.9ﾟC / W 2.75 よって熱抵抗が 5.9 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事になりますが、一般的には 10～20%以上のディレーテ ィングで使用します。又実際には、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。 ２１ SI-8050HFE SI-8050HFE の最大定格 Tjmax は 150℃ですが過熱保護回路が 130℃以上で動作する場合 がある為、Tjmax＜125℃での熱設計を推奨しております。 ４－５－② 放熱器への取り付け シリコングリスの選択 SI-8050HFE 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。 又、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事があります。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。以下に弊社が推奨致しますシリ コングリスを示します。 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 モメンティブ･パフォーマンス･マテリアルズ･ジャパン合同会社 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-8050HFE については 58.8～68.6N･cm(6.0～7.0kg･cm)を推奨します。 熱抵抗変化率（%） 110 105 100 95 90 0 20 40 60 締め付けトルク（N・cm） 80 100 ※1 58.8N･cm（6kg･cm）を 100%とした時の熱抵抗変化率を示す。 ※2 シリコングリスは G746 を使用 ２２ SI-8050HFE SI-8000Hシリーズ Io-PD 特性 Output Current-Power Dissipasion 10 VIN=8V 9 VIN=15V 8 VIN=30V 電力損失 PD (W) Power Dissipation 7 VIN=40V 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 出力電流 Io (A) Output Current SI-8000H ｼﾘｰｽﾞの Io－Pd 参考ﾃﾞｰﾀを上記に示します。 ５．応用 ●５－１ ソフトスタート ５番端子にコンデンサを接続すると入力電圧投入時にソフトスタートがかかるよう になります。Vout は Css の充電電圧に相関し立ち上がります。よって Css 充電の時定 数計算で概略求まります。 コンデンサＣss はＰＷＭ制御の OFF 期間をコントロールして立ち上がり時間を制御する 為のもので、立ち上がり時間ｔsｓは以下の式で概略求まります。 ソフトスタート機能を使用しない場合は５番端子をオープンとして下さい。 SI-8050HFE SI-8000FF VIN ｔss＝（Css×VssA）／IssL (sec) 5.SS VOUT Css Tss SS 端子は IC 内部電源にプルアップ(3.6vTYP)されていますので、外部からの電圧印加は出来ませ ん。 Ｃss を大きくしますと VinOFF 後のＣss ディスチャージも時間がかかるようになります。Ｃss は 10uF 以下の値で使用される事をお奨めします。 Vin 低下時に Css の電荷は Vin 端子より放電されます。 ２３ SI-8050HFE SI-8008HFE Css SI-8050HFE Css vs Vovs起動時間 起動時間 10000 Co=680uFVo=5v設定 Co=680uF 時 起動時間実測値 計算値 起動時間 ms 1000 100 10 1 0.1 0.001 0.01 0.1 Css uF 1 10 Css による起動時間計算値と実測値の参考ﾃﾞｰﾀを上記に示します。 Css がない場合や極端に小さい場合、過電流保護 Is で制限した出力電流で出力ｺﾝﾃﾞﾝｻ を充電する時定数で立ち上がります。 上記起動時間のグラフの Css=0.001uF では Css による時定数より過電流保護で制限した出力電流で出力ｺﾝﾃﾞﾝｻを 充電する時定数の方が支配的になっています。 出力ｺﾝﾃﾞﾝｻ起動での時定数 ｔ＝（Co×Vo)／Is ・・・・・・(無負荷時） ＊負荷がある状態では Is 値より負荷電流分が減算されます。 ●５－２ 出力の ON・OFF 制御 ５番・SS 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 VssL(0.5v)以下にすると出力は停止します。又ソフトスタートと の併用も可能です。ソフトスタート端子はＩＣ内部でプルアップ(3.7vTYP)済みですの で外部からは電圧を印加しないで下さい。 SI-8000H SI-8000S,SS SI-8000H SI-8000S,SS 5.SS 5.SS C3 Css ON/OFF SS+ON/OFF ２４ SI-8050HFE ●５－３ 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-8000H 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。 10Ω 程度 1000pF程度 2.SW 2.SW 1.VIN 1.IN SI-8000H SI-8000FF 10Ω 程度 3.GND 1000pF程度 上記回路図の入出力間、およびダイオード両端に 10Ω +1000pF を接続 ※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。 ●５－５ 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-8000H SI-8001FFE SI-8000S,SS ２５ SI-8050HFE ６．代表特性例 (1)効率 SI-8008HFE 効率 SI-8050HFE 効率 Vo=5v 90 効率 % 85 80 Vin=8v Vin=10v Vin=15v Vin=20v Vin=30v Vin=40v 75 70 65 60 0 1 2 3 Iout A 4 5 6 （4）過電流保護特性 （2）立ち上がり特性 Over Current Protection 6 Low 6voltage behavior Io=0A 5 出力電圧 VO (V) Output Voltage 出力電圧 VO (V) Output Voltage 5 4 Io=5.5A 3 Io=1A~4A 2 4 VIN=10V 3 VIN=15V VIN=20V VIN=30V 2 VIN=40V 1 1 0 2 4 6 8 10 0 4 出力電流 Io 入力電圧 VIN (V) Thermal Protection 6 5.06 Load regulation 5.04 6 8 (A) Output Current （5）過熱保護特性 Input Voltage （3）ロードレギュレーション VIN=15V, Io=10mA 5 5.02 出力電圧 VO (V) Output Voltage VIN=40v 出力電圧 Vout (V) Output Voltage 2 30v 20v 5 15v 4.98 4 3 2 4.96 8v 1 4.94 4.92 0 0 1 2 3 4 出力電流 Iout (A) Output Current 5 40 80 120 160 6 接合部温度 Tj (°C) Junction Temperature ２６ SI-8050HFE 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。 ２７ SI-8050HFE ！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事があります。ご使用の 際には、最新の情報である事をご確認下さい。 ●本書に記載されている動作例及び回路例は、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 及び確認を行って下さい。 ●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 機器等）に使用される事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、生命維持の為の医療機器など）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。 ２８