SI-8000FFE/FDE 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-8000FFE/FDE シリーズ 第 4 版 2013 年 11 月 サンケン電気株式会社 SI-8000FFE/FDE －－－ 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 －－－－－－－－－－ 4～5 ２－２ 定格 －－－－－－－－－－ 6 ２－３ 回路図 －－－－－－－－－－ 7 ３－１ PWM 出力電圧制御 －－－－－－－－－－ 8 ３－２ 過電流・過熱保護 －－－－－－－－－－ 9 ４－１ 外付部品選定上の注意 －－－－－－－－－－ 10～14 ４－２ パターン設計上の注意 －－－－－－－－－－ 15～16 ４－３ 動作波形の確認 －－－－－－－－－－ 17 ４－４ －－－－－－－－－－ 18～21 ４－５ 熱設計 －－－－－－－－－－ 22～24 ５－１ ソフトスタート －－－－－－－－－－ 24～25 ５－２ 出力 ON･OFF 制御 －－－－－－－－－－ 25 ５－３ スパイクノイズの低減 －－－－－－－－－－ 26 ５－４ 逆バイアス保護 －－－－－－－－－－ 26 ６．代表特性例 －－－－－－－－－－ 27～29 ７．用語解説 －－－－－－－－－－ 30 ２．製品仕様 ３．SI-8000F シリーズの動作説明 ４．使用に際しての注意事項 電源の安定性 ５．応用 ２ SI-8000FFE/FDE １．概要 SI-8001FFE/FDE 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。6 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。尚、SI-8001FDE は SI-8001FFE の面実装(TO263-5)版です。 ●１－１ 特長 ・小型大出力電流３．５Ａ TO220F クラスの外形で、出力電流が最大 3.5Ａです。 ・高効率８３％(VIN=15V/IO=2A) 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６点 入出力コンデンサ、ダイオード、コイル、Vout 設定用の抵抗のみでレギュレー 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 SI-8001FFE は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-8000FFE/FDE ２．製品仕様 ●２－１ SI-8001FFE 外形図 単位：㎜ (ﾘｰﾄﾞﾌｫｰﾐﾝｸﾞ No : LF1113) Unit：㎜ ●端子配列 1：IN 2：SW 3：GND 4：ADJ 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 5-0.80±0.10 φ 1.50 Dp : ±0.20 4-[1.70±0.25] 9.20±0.20 4.90±0.20 (15°) 15.30±0.30 (0.50) (R0.30) 3-(R0.30) 4.50±0.20 Products Approx.1.48g Weight 15.30±0.30 0～6° 2.54 ±0.30 (R0.30) 2.40±0.20 (3°) +0.15 -0.10 +0.10 -0.05 0.10 1.30 PIN assignments １． IN ２． SW ３． GND ４． ADJ ５． SS 端子配列 (3°) (3°) 2.00±0.10 (4.60) (0.40) 4-[1.70±0.25] (6.80) 注記 1) 寸法はモールドバリを含まない。 2) ( )内は参考寸法を示す。 3) [ ]内はリードフォーミング後寸法 4) 裏面段差：０．８ｍｍMAX 5) 単位：mm 5-0.80±0.10 2x(R0.45) (4.40) (8.00) ●２－２ (0.75) 9.90±0.20 (1.75) 10.00±0.20 SI-8000FFE/FDE SI-8001FDE（面実装：TO263-5）外形図 製品質量：約 1.48ｇ ： ５ 4.90±0.20 9.20±0.20 SI-8000FFE/FDE ●２－２ 定格 絶対最大定格（SI-8001FFE） 項目 記号 定格値 単位 入力電圧 VIN 43 V 無限大放熱時許容損失 Pd1 18.2 W 放熱板未使用時許容損失 Pd2 1.72 W 接合部温度 Tjmax 150 保存温度 Tstg -40～+150 *1 *1 ℃ ℃ SI-8001FDE は許容損失のみ異なります。 *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。 推奨動作条件 項目 記号 SI-8001FFE/FDE 単位 直流入力電圧 VIN Vo+3v～40*2 V 出力電流 IO 0～3.5 A 動作時接合温度 Tjop -30～＋125 ﾟC *2 VIN=4.5v もしくは Vout+3v のどちらか高い値とする 電気的特性 電気的特性 項目 (Ta=25℃、Vo=5V 設定時 規格値 記号 設定基準電圧 VADJ 基準電圧温度係数 ⊿VADJ/⊿T R1=4.2kΩ,R2=0.8kΩ) 単位 MIN TYP MAX 0.784 0.800 0.816 V mV/℃ ±0.1 測定条件 VIN=15V，IO=0.2A ， VIN=15V IO=0.2A,Tc=0~100℃ 効率 *3 η 動作周波数 fo ラインレギュレーション 83 % VIN=15V,IO=2A 300 330 kHz VIN=15V，IO=2A VLine 55 80 mV VIN=10～30V，IO=2A ロードレギュレーション VLoad 15 50 mV VIN=15V，IO=0.2～3.5A 過電流保護開始電流 IS 270 3.6 A オンオフ Low レベル電圧 VSSL 端子 *4 Low 時流出電流 ISSL 6 静止時回路電流１ Iq 6 静止時回路電流２ Iq(off) 200 VIN=15V 0.5 V 30 μA VIN=15V，VSS=0V mA VIN=15V，IO=0A 600 μA VIN=15V VSS=0V ６ SI-8000FFE/FDE ●２－３ 回路図 ２－３－① 内部等価回路図 SI-8001FFE/FDE VIN 1 SW IN C1 5 C2 Overcurren protection SS ON / OFF C3 VOUT 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 R1 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 R1 Error amp. 基準電圧 Reference voltage GND (Css) 3 ２－３－② 1 VIN C1 標準接続図 IN SW SS 5 GND 3 2 ADJ 4 C1：470μF L1 VO C3：0.1μF 程度 R1 Di R2 C2 (ソフトスタート機能使用時のみ) L1：47μH C3(Css) GND C2：680μF GND Di：RK46(サンケン製) 面実装の場合 SPB-G56S 推奨 ７ SI-8000FFE/FDE ３．SI-8001F の動作説明 ●３－１ ＰＷＭ出力電圧制御 SI-8000F 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(≒300KHz)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。 ８ SI-8000FFE/FDE ●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-8000F シリーズは、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 25KHz 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。 ９ SI-8000FFE/FDE 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。 １０ SI-8000FFE/FDE 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-8000F の最大定格(3.5A)に近い場合：出力電流×0.1 倍程度 ・使用出力電流が大略 2A 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=300KHz とすると、 (25 5) 5 ≒ 26.7uH 0.5 25 300 103 となりますので、インダクタンスが約 27uH 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。 １１ SI-8000FFE/FDE ４－１－② 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でも、SI-8000F 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。 １２ SI-8000FFE/FDE 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 0.5 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。 １３ SI-8000FFE/FDE 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-8000F シリーズの 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。 １４ SI-8000FFE/FDE ●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。 L1 1,IN VIN 2.SW VOUT R1 SI-8001FFE 4.ADJ C1 5.SS 3.GND D1 C2 R2 GND ４－２－② GND 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 ADJ 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。 R1 及び R2 を接続する事で出力電圧の設定が可能です。 IADJ が約１ｍＡになるように設定ください。 （IADJ は下限 0.8mA で考え、上限は特に制限はありま せんが、消費電流が増える方向なので効率低下に なりますので注意ください。 R1、R2、出力電圧は次式で求められます。 IADJ=VADJ/R2 R1=（Vo-VADJ）/IADJ *VADJ=0.8v±2% R2＝VADJ／IADJ Vout＝R1×（VADJ/R2）＋VADJ IADJ 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 IADJ 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。 １５ SI-8000FFE/FDE ・Vo=0.8V に設定する際も、安定動作の為 R2 は接続くだ さい。 ・出力電圧は入力電圧に対して８％以上になる様に設定す る事を推奨します。 ● 出力電圧設定抵抗 R1,R2 を既存の 1%及び 0.5%精度の抵抗定数にて出力電圧設定した 場合の定数、ﾊﾞﾗﾂｷ範囲を以下の表に示します。 SI-8001FFE R1,R2Vo設定定数表 目標Vout(V) 1.2 1.8 2.5 3.3 5 9 12 24 1%精度抵抗定数での構成 0.5%精度抵抗定数での構成 R1（Ω ） R2(Ω ） 計算精度(%) R1（Ω ） R2(Ω ） 計算精度(%) +2.61 +2.26 402 806 402 806 -2.73 -2.41 +2.72 +2.72 1000 806 1010 806 -3.48 -2.41 +4.15 +2.64 1690 787 1690 796 -2.64 -2.73 +2.67 +2.86 2490 806 2490 796 -4.31 -2.67 +3.50 +2.68 4220 806 4170 796 -3.85 -3.00 +3.75 +2.95 8250 806 8160 796 -3.89 -2.88 +3.77 +2.58 11000 787 11100 796 -3.96 -3.27 +3.25 +3.11 23200 806 23400 806 -4.57 -2.84 ● ADJ 端子及び R1,R2 の配線はフライホイール Di と並走する配線はしないでください。 スイッチングノイズが検出電圧に干渉し異常発振する場合があります。 特に ADJ 端子から R2 の配線は短く設計する事を推奨します。 ● 実装基板パターン例 挿入部品タイプ（SI-8001FFE） 面実装タイプ（SI-8001FD SI-8001FFE Top view：部品面 １６ SI-8000FFE/FDE ●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-8000F 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。 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,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,C2 はＩＣの近く に接続する事が必要です。 １７ SI-8000FFE/FDE ●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ＰＷＭ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、 １８ SI-8000FFE/FDE 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。 １９ SI-8000FFE/FDE 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。 ２０ SI-8000FFE/FDE 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 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 fLC -180deg -180deg 合成特性 位相遅れ大 位相遅れ小 合成特性 -180deg 周波数 -180deg 周波数 一般的にチョッパ型レギュレータＩＣの fp 周波数は、数～十数 KHz 以上に設定されています。 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 ２１ SI-8000FFE/FDE ●４－５a 熱設計（挿入部品 SI-8001FFE） 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) 5.5℃/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-8001FFE を VIN=15V,Vo=5v,Io=3A,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 3 1 0.5 3 1 ≒ 2.75W 80 15 125 85 i fin 5.5 ≒ 9.05ﾟC / W 2.75 よって熱抵抗が 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。 ２２ SI-8000FFE/FDE 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。 SI-8001FFE 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-8000FFE 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-8001FFE 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 ※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 100 ２３ SI-8000FFE/FDE ●４－５ｂ 熱設計（面実装部品 SI-8001FDE） ４－５ｂ－① 放熱の計算 面実装タイプの SI-8001FDE の場合、ジャンクション温度を Tjmax 以下に熱設計する点では前述 の挿入部品と同じですが、面実装の場合、実装基板に残された銅箔へ放熱する事になりますので、 銅箔面積や基板の素材、銅箔層数などに大きく左右されます。 SI-8001FDE の裏面ステム部分は 3 番ﾋﾟﾝ（GND）とインナーフレームでつながっており、裏面ステ ム部分に直接つながっている GND パタンを大きく取る事で放熱性が向上します。 ジャンクション温度を確認する場合は、図に示すステム部分の温度を測定し以下の式で算出する 事で確認ができます。 Tj＝Tc＋Pd×3℃/W ＊Tc：実測ステム温度 温度測定箇所 ジャンクションとの熱抵抗は 3℃/W です 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。 VIN ｔss＝（Css×VssA）／IssL SI-8000FF (sec) 5.SS VOUT Css Tss SS 端子は IC 内部電源にプルアップ(3.7vTYP)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 ２４ SI-8000FFE/FDE 10uF 以下の値で使用される事をお奨めします。 SI-8001FFE Css vs起動時間 Vo=5v設定 Co=680uF 10000 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-8000F SI-8000S,SS SI-8000F SI-8000S,SS 5.SS 5.SS C3 Css ２５ SI-8000FFE/FDE ●５－３ スパイクノイズの低減 ON/OFF SS+ON/OFF スパイクノイズを低減させるには、SI-8000F 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。 1000pF 程度 10 Ω 程 1.IN 2.SW SI-8000F 10 Ω 程 3.GND F 1000pF 程度 ※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。 ●５－４ 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-8001F SI-8000S,SS ２６ SI-8000FFE/FDE ６．代表特性例 (1)効率 70 90 65 60 85 Vin=5v Vin=8v Vin=12v Vin=15v 55 50 45 効率 % 効率 % SI-8001F Vo=3.3v SI-8001FFE SI-8001FFE 効率 Vo=1.5v 70 Vin=8v 15v 20v 30v 40v 2 Iout A 3 60 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 2.5 3 3.5 Iout A SI-8001F Vo=5v SI-8001FFE 効率 Vo=1.8v 75 70 65 60 55 50 45 40 SI-8001FFE 90 85 80 効率 % Vin=5v Vin=8v Vin=12v Vin=15v 75 Vin=8v 15v 20v 30v 40v 70 65 60 0 1 2 Iout A 3 0 4 0.5 1 1.5 2 Iout A SI-8001F Vo=12v SI-8001FFE SI-8001FFE 効率 Vo=2.5v 80 100 75 95 70 90 Vin=5v Vin=8v Vin=12v Vin=15v 65 60 55 効率 % 効率 % 効率 % 1 75 65 40 0 80 85 Vin=15v 20v 30v 40v 80 75 70 50 0 1 2 Iout A 3 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Iout A ２７ 4 SI-8000FFE/FDE （2）立ち上がり特性 Low voltage behavior SI-8001FFE Vo=18v設定 94 入力電圧 vs 出力電圧 6.00 92 5.00 Vin=21v Vin=25v Vin=30v Vin=35v Vin=40v 88 86 84 出力電圧Vo [V] 効率 % 90 82 4.00 3.00 Io=0A 0.5A 1A 2A 3.5A 2.00 1.00 80 0 1 2 3 0.00 4 0 1 2 Iout A 3 4 5 入力電圧VIN [V] 6 7 8 （3）ロードレギュレーション Load regulation ﾛｰﾄﾞレギュレーション 5.1 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 5.08 出力電圧 Vout [V] 5.06 Vin=27v 30v 35v 40v 5.04 Vin=40v 5.02 Vin=30v 5 Vin=15v 4.98 Vin=10v 4.96 4.94 Vin=8v 4.92 0 1 2 Iout A 3 4 4.9 0 1 2 出力電流 Iout [A] 3 （4）回路消費電流 Quiescent current 静止時回路電流 10 Vc=2v 8 Iq(mA) 効率 % SI-8001FFE 効率 Vo=24v 6 4 2 0 0 10 20 Vin(V) 30 40 ２８ SI-8000FFE/FDE （5）オフ時回路消費電流 400 Quiescent current at off Vss=0v 回路消費電流 (uA) Quiescent current 300 200 100 0 10 20 30 40 入力電圧 VIN (V) Input voltage （6）過電流保護特性 6 Over Current Protection 出力電圧 VO (V) Output Voltage 5 VIN=8V 4 VIN=15V 3 VIN=30V VIN=40V 2 1 0 1 2 3 4 5 出力電流 Io (A) （7）過熱保護特性 Output Current Thermal Protection過熱保護特性 6.00 出力電圧Vo [V] 5.00 4.00 VIN=15V, Io=10mA 3.00 2.00 1.00 0.00 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 接合部温度Tｊ [℃] ２９ SI-8000FFE/FDE 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。 ３０ SI-8000FFE/FDE ！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。 ３１