ISL95870, ISL95870A, ISL95870B ISL95870/ISL95870A/ISL95870B は、インターシル独自の R4 テクノロジを採用した、シングルフェーズの同期整流型降圧 PWM レギュレータです。入力電圧範囲が 3.3V ～ 25V と広 く、バッテリや AC アダプタで動作するシステムに最適です。 ISL95870A と ISL95870B は、出力電圧を動的に変化させ、か つスルーレートを制御したいアプリケーションに適した、低 価格なソリューションです。ソフトスタート時間とダイナ ミック・セットポイント・スルーレートを外付けコンデンサ によって設定することができます。抵抗で設定した 4 通りの セットポイント・リファレンス電圧から、1 つを電圧識別ロ ジック入力によって選択します (ISL95870A と ISL95870B)。 出力電圧はこのセットポイント・リファレンス電圧によって 設定され、帰還抵抗分圧回路を使用しない場合は0.5V～1.5V の範囲で、帰還抵抗分圧回路を使用した場合は最高 5V の範 囲で、それぞれ設定可能です。 R4 モジュレータは R3 モジュレータと比べたとき、軽負荷時 の効率はほぼ同等、負荷変動応答はより高速、正確な周波数 制御、外付け補償回路が不要といった特長があります。これ らの改良点に加え、MOSFET ドライバとショットキー・ブー トストラップ・ダイオードを内蔵しているので、わずか数個 の部品を外付けするだけで、きわめてコンパクトかつ高性能 なレギュレータを構成できます。また、出力電圧の差動リ モートセンス機能とスイッチング周波数の設定機能が新た に追加されています。電力変換効率をできるだけ高めるため に、アプリケーションがスタンバイ状態のような軽負荷動作 となった場合、コンバータは自動的にダイオード・エミュ レーション・モード (DEM) に移行するように工夫されてい ます。 特長 • 入力電圧範囲：3.3V ～ 25V • 出力電圧範囲：0.5V ～ 5V • 高精度なレギュレーション - 独自の R4 周波数制御ループ - -10 ℃～ +100 ℃の範囲でシステム精度± 0.5％ • 優れた負荷変動応答 - インターシル独自の R4 モジュレータ・テクノロジ • 出力リモートセンス • きわめて自由度の高い出力電圧設定機能 - 2 ビット VID で 4 通りの独立セットポイント電圧を選択 (ISL95870B) - 2 ビット VID で 3 通りの独立セットポイント電圧または 4 通りの非独立セットポイント電圧を選択 (ISL95870A) - 抵抗による単純なセットポイント電圧設定 • CCM 動作時の PWM 周波数を 300kHz、500kHz、600kHz、 または 1MHz のいずれかに設定可能 • 変換効率を高める自動ダイオード・エミュレーション・ モード • ソフトスタートとフォルト検出用のパワーグッド・モニタ 出力 アプリケーション *(26 ページ参照 ) • モバイル PC の GPU の VCC レール • モバイル PC の I/O ハブの VCC レール • モバイル PC のメモリ・コントローラ・ハブ (GMCH) の VCC レール RVCC +5V CVCC VCC PGOOD QHS 11 LO 10 VOUT 0.5V TO 5V QLS 9 CBOOT VO ROFS CIN ROCSET PHASE SREF 5 RPGOOD 13 14 PVCC LGATE EN FSEL CSOFT ROFS1 4 UGATE VIN 3.3V TO 25V 12 8 GPIO RTN OCSET 3 BOOT 7 2 GND FB 1 RFB1 6 RTN1 PGND 16 15 CPVCC CO CSEN RTN1 RO RFB 0 図 1. ISL95870 のアプリケーション回路図 (DCR 電流センス ) 2009 年 12 月 22 日 FN6899.0 1 注意：本データシート記載のデバイスは静電気に対して敏感です。適切な取り扱いを行ってください。 Intersil および Intersil ロゴは Intersil Americas Inc の登録商標です。 Copyright Intersil Americas Inc. 2012. All Rights Reserved そのほかの企業名や製品名などの商標はそれぞれの権利所有者に帰属します。 ISL28127, ISL28227 小型 GPU コア電圧レギュレータ向け、VID 入力対応 PWM DC/DC コントローラ ISL95870, ISL95870A, ISL95870B アプリケーション回路図 : ISL95870 RVCC +5V CVCC CPVCC 9 UGATE VOUT 0.5V TO 5V LO PHASE QLS PGOOD CO CBOOT CSEN VO FSEL QHS ROCSET 4 CIN BOOT 8 10 RPGOOD VCC 13 PVCC 14 3 5 CSOFT ROFS1 SREF 11 FB GPIO 2 7 EN 12 6 RTN 1 OCSET RTN1 GND RFB1 15 16 PGND LGATE VIN 3.3V TO 25V RTN1 RO RFB 0 ROFS 図 2. ISL95870 のアプリケーション回路図 (DCR 電流センス ) RVCC +5V CVCC CPVCC UGATE LO PHASE RSEN VOUT 0.5V TO 5V QLS PGOOD CBOOT VO FSEL QHS ROCSET 9 CIN BOOT 8 10 4 RPGOOD VCC 13 14 PVCC 3 5 CSOFT SREF 11 FB GPIO 2 7 EN 12 6 RTN 1 OCSET GND RFB1 ROFS1 RTN1 15 16 PGND LGATE VIN 3.3V TO 25V CO CSEN RTN1 RO RFB ROFS 0 図 3. ISL95870 のアプリケーション回路図 ( 抵抗電流センス ) 2 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B アプリケーション回路図：ISL95870A RVCC VID1 GPIO VID0 SREF SET0 17 5 16 6 15 7 14 8 13 9 12 RSET2 RSET3 RPGOOD CIN QHS BOOT UGATE LO PHASE VOUT 0.5V TO 5V QLS EN PGOOD CBOOT FSEL VO CO CSEN RTN1 RO RFB CSOFT RSET1 PVCC 4 FB SET1 18 CVCC ROCSET ROFS1 RTN1 RTN 19 3 11 RFB1 2 10 GND VCC VIN 3.3V TO 25V OCSET PGND 20 CPVCC 1 LGATE +5V ROFS 0 図 4. ISL95870A のアプリケーション回路図 (4 通りの出力電圧セットポイント、DCR 電流センス ) RVCC GPIO VID0 SREF SET0 RSET2 RSET3 CSOFT RSET1 17 5 16 6 15 7 14 8 13 9 12 RPGOOD PVCC 4 FB SET1 18 CVCC CIN QHS BOOT UGATE EN QLS PGOOD FSEL CBOOT VO VOUT 0.5V TO 5V RSEN LO PHASE ROCSET ROFS1 RTN1 RTN VID1 19 3 11 RFB1 2 10 GND VCC VIN 3.3V TO 25V CO CSEN RTN1 RO OCSET PGND 20 CPVCC 1 LGATE +5V RFB ROFS 0 図 5. ISL95870A のアプリケーション回路図 (4 通りの出力電圧セットポイント、抵抗電流センス ) 3 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B アプリケーション回路図：ISL95870B RVCC RPGOOD VCC 17 13 5 12 6 11 SET2 RSET2 UGATE QLS EN PGOOD VOUT 0.5V TO 5V LO PHASE CO CBOOT FSEL CSEN RTN1 RO RFB ROFS RSET4 QHS BOOT ROCSET PVCC 18 4 RSET3 CSOFT 14 GND 7 SET1 3 CIN 10 SET0 15 FB RSET1 2 CVCC VO SREF 16 9 VID0 1 8 VID1 GPIO VIN 3.3V TO 25V OCSET ROFS1 RTN 19 20 RFB1 RTN1 PGND CPVCC LGATE +5V 0 図 6. ISL95870B のアプリケーション回路図 (4 通りの出力電圧セットポイント、DCR 電流センス ) RPGOOD VCC 17 5 12 6 11 RSET4 QHS BOOT LO UGATE RSEN PHASE PGOOD VOUT 0.5V TO 5V QLS EN CBOOT FSEL ROCSET 18 LGATE 13 CIN CO CSEN RTN1 10 RSET2 RSET3 CSOFT 4 7 SET1 14 GND CVCC VO SET0 3 8 RSET1 15 9 SREF 2 OCSET VID0 16 FB GPIO 19 20 VID1 1 SET2 ROFS1 RTN VIN 3.3V TO 25V RFB RO ROFS RFB1 RTN1 PGND CPVCC PVCC RVCC +5V 0 図 7. ISL95870B のアプリケーション回路図 (4 通りの出力電圧セットポイント、抵抗電流センス ) 4 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ブロック図 VCC POR SOFT-START CIRCUITRY BOOT EN 5 DRIVER PHASE DEAD-TIME GENERATION FB INTERNAL COMPENSATION AMPLIFIER SREF PVCC OVERVOLTAGE/ UNDERVOLTAGE DRIVER + LGATE PGND *SET 0 R4 MODULATOR *SET 1 VO **SET2 *VID1 REFERENCE VOLTAGE CIRCUITRY REMOTE SENSE CIRCUITRY OVERCURRENT OCSET *VID0 Fs SELECTION CIRCUITRY GND FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 *ISL95870A, ISL95870B ONLY RTN FSEL **ISL95870B ONLY 図 8. ISL95870/ISL95870A/ISL95870B の概略機能ブロック図 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B PGOOD CIRCUITRY PGOOD UGATE ISL95870, ISL95870A, ISL95870B ピン配置 20 PVCC 13 VCC 14 PVCC 15 LGATE 16 PGND PGND 2 1 LGATE ISL95870A (20 LD 3.2X1.8 µTQFN) 上面図 ISL95870 (16 LD 2.6X1.8 µTQFN) 上面図 19 VCC RTN 2 11 UGATE RTN 4 17 UGATE EN 3 10 PHASE VID1 5 16 PHASE SREF 4 9 PGOOD VID0 6 15 EN 14 PGOOD SET0 8 13 FSEL SET1 9 12 VO OCSET 11 SREF 7 FB 10 VO 8 18 BOOT OCSET 7 GND 3 FB 6 12 BOOT 17 VCC 18 PVCC 19 LGATE 20 PGND ISL95870B (20 LD 3X4 QFN) 上面図 RTN 1 16 BOOT VID1 2 15 UGATE VID0 3 14 PHASE GND SREF 4 13 EN 11 FSEL 6 VO 10 SET1 6 OCSET 9 12 PGOOD FB 8 SET0 5 SET2 7 FSEL 5 GND 1 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B ISL95870 のピンの説明 ピン番号 ピン名 説明 1 GND バイアス電源のグラウンド。信号の基準電位です。 2 RTN VOUT のリモートセンスの負極性入力です。FB ピンに RFB と ROFS で構成される抵抗分圧回路を接続する場 合、同じ分圧比の抵抗分圧回路を RTN ピンにも接続してください。すなわち、RFB1=RFB と ROFS1=ROFS を 維持してください。 3 EN IC のイネーブル入力です。EN ピンの電圧が EN 立ち上がりスレッショルド電圧を超えると、ソフトスタート・ シーケンスが始まります。 4 SREF ソフトスタートとスルーレートを設定するコンデンサの入力ピンです。VSET 電圧セットポイント・アンプの反転 入力に内部で接続されています。 5 FSEL レギュレータのスイッチング周波数を設定する入力ピンです。このピンを VCC に接続するとスイッチング周波 数は 1MHz に設定されます。100kΩ 抵抗を介してグラウンドに接続すると 600kHz に設定されます。開放のま ま使用すると 500kHz に設定されます。グラウンドに直接接続すると 300kHz に設定されます。 6 FB 電圧帰還センスの入力ピンです。制御ループ誤差アンプの反転入力に内部で接続されています。FB ピンの電圧 と SREF ピンの電圧が等しいとき、コンバータはレギュレーション状態にあります。 7 OCSET 過電流検出回路の入力ピンです。過電流セットポイント設定抵抗 ROCSET を介して、電流センスポイントに接 続します。 8 VO R4 モジュレータの出力電圧センス入力です。VO ピンは過電流検出回路のリファレンス入力も兼ねています。 9 PGOOD パワーグッドを表すオープン・ドレイン出力です。コンバータがレギュレート電圧を供給できる状態にあると き、このピンはハイ・インピーダンスになります。 10 PHASE UGATE ハイサイド MOSFET ドライバのリターン電流パス、R4 モジュレータの VIN センス入力、インダクタ電 流の極性検出回路入力です。 11 UGATE ハイサイド MOSFET ゲートドライバ出力です。コンバータ回路のハイサイド MOSFET のゲート端子に接続し てください。 12 BOOT ハイサイド MOSFET ドライバ UGATE の正電源入力です。BOOT ピンはショットキー・ブートストラップ・ダ イオードのカソードに内部で接続されています。BOOT ピンと PHASE ピンの間に積層セラミック・コンデンサ (MLCC) CBOOT を接続してください。 13 VCC 14 PVCC MOSFET ドライバ回路 LGATE と UGATE の電源入力です。PVCC ピンはショットキー・ブートストラップ・ダ イオードのアノードに内部で接続されています。PVCC ピンには +5V を接続するとともに、積層セラミック・ コンデンサ (MLCC) を GND ピンとの間に接続してデカップリングしてください。 15 LGATE ローサイド MOSFET ゲートドライバの出力です。コンバータ回路のローサイド MOSFET のゲート端子に接続 してください。 16 PGND LGATE MOSFET ドライバのリターン電流パスです。ローサイド MOSFET のソース端子に接続してください。 IC バイアス電圧入力です。VCC ピンには +5V を接続するとともに、1 個以上の積層セラミック・コンデンサ (MLCC) を GND ピンとの間に接続してデカップリングしてください。 7 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B ISL95870A のピンの説明 ピン番号 ピン名 説明 1 LGATE ローサイド MOSFET ゲートドライバの出力です。コンバータ回路のローサイド MOSFET のゲート端子に接続 してください。 2 PGND LGATE MOSFET ドライバのリターン電流パスです。ローサイド MOSFET のソース端子に接続してください。 3 GND バイアス電源のグラウンド。信号の基準電位です。 4 RTN VOUT のリモートセンスの負極性入力です。RFB と ROFS で構成される抵抗分圧回路を FB ピンに接続する場 合、同じ分圧比の抵抗分圧回路を RTN ピンにも接続してください。すなわち、RFB1=RFB と ROFS1=ROFS を 維持してください。 5 VID1 セットポイント電圧セレクタのロジック入力です。VID0 ピンとの組み合わせで、4 通りのセットポイント・リ ファレンス電圧から 1 つを選択します。 6 VID0 セットポイント電圧セレクタのロジック入力です。VID1 ピンとの組み合わせで、4 通りのセットポイント・リ ファレンス電圧から 1 つを選択します。 7 SREF ソフトスタートとスルーレートを設定するコンデンサの入力ピン、セットポイント・リファレンス電圧設定抵抗の 入力ピンです。VSET 電圧セットポイント・アンプの反転入力に内部で接続されています。 8 SET0 電圧セットポイント設定抵抗の入力ピンです。 9 SET1 電圧セットポイント設定抵抗の入力ピンです。 10 FB 11 OCSET 過電流検出回路の入力ピンです。過電流セットポイント設定抵抗 ROCSET を介して、電流センスポイントに接 続します。 12 VO R4 モジュレータの出力電圧センス入力です。VO ピンは過電流検出回路のリファレンス入力も兼ねています。 13 FSEL レギュレータのスイッチング周波数を設定する入力ピンです。このピンを VCC に接続するとスイッチング周波 数は 1MHz に設定されます。100kΩ 抵抗を介してグラウンドに接続すると 600kHz に設定されます。開放のま ま使用すれば 500kHz に設定されます。グラウンドに直接接続すると 300kHz に設定されます。 14 PGOOD パワーグッドを表すオープン・ドレイン出力です。コンバータがレギュレート電圧を供給できる状態のとき、こ のピンはハイ・インピーダンスになります。 15 EN IC のイネーブル入力です。EN ピンの電圧が EN 立ち上がりスレッショルド電圧を超えると、ソフトスタート・ シーケンスが始まります。 16 PHASE UGATE ハイサイド MOSFET ドライバのリターン電流パス、R4 モジュレータの VIN センス入力、インダクタ電 流の極性検出回路入力です。 17 UGATE ハイサイド MOSFET ゲートドライバ出力です。コンバータ回路のハイサイド MOSFET のゲート端子に接続し てください。 18 BOOT ハイサイド MOSFET ドライバ UGATE の正電源入力です。BOOT ピンはショットキー・ブートストラップ・ダ イオードのカソードに内部で接続されています。BOOT ピンと PHASE ピンの間に積層セラミック・コンデンサ (MLCC) CBOOT を接続してください。 19 VCC 20 PVCC 電圧帰還センスの入力ピンです。制御ループの誤差トランスコンダクタンス・アンプの反転入力に内部で接続さ れています。FB ピンの電圧が SREF ピンの電圧が等しいとき、コンバータはレギュレーション状態にあります。 IC バイアス電圧入力です。VCC ピンには +5V を接続するとともに、1 個以上の積層セラミック・コンデンサ (MLCC) を GND ピンとの間に接続してデカップリングしてください。 MOSFET ドライバ回路 LGATE と UGATE の電源入力です。PVCC ピンはショットキー・ブートストラップ・ダ イオードのアノードに内部で接続されています。PVCC ピンには +5V を接続するとともに、積層セラミック・ コンデンサ (MLCC) を GND ピンとの間に接続してデカップリングしてください。 8 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B ISL95870B のピンの説明 ピン番号 ピン名 説明 1 RTN VOUT のリモートセンスの負極性入力です。RFB と ROFS で構成される抵抗分圧回路を FB ピンに接続する場 合、同じ分圧比の抵抗分圧回路を RTN ピンにも接続してください。すなわち、RFB1=RFB と ROFS1=ROFS を 維持してください。 2 VID1 セットポイント電圧セレクタのロジック入力です。VID0 ピンとの組み合わせで、4 通りのセットポイント・リ ファレンス電圧から 1 つを選択します。 3 VID0 セットポイント電圧セレクタのロジック入力です。VID1 ピンとの組み合わせで、4 通りのセットポイント・リ ファレンス電圧から 1 つを選択します。 4 SREF ソフトスタートとスルーレートを設定するコンデンサの入力ピン、セットポイント・リファレンス電圧設定抵抗 の入力ピンです。VSET 電圧セットポイント・アンプの反転入力に内部で接続されています。 5 SET0 電圧セットポイント設定抵抗の入力ピンです。 6 SET1 電圧セットポイント設定抵抗の入力ピンです。 7 SET2 電圧セットポイント設定抵抗の入力ピンです。 8 FB 9 OCSET 過電流検出回路の入力ピンです。過電流センスポイント設定抵抗 ROCSET を介して、電流センスポイントに接 続します。 10 VO R4 モジュレータの出力電圧センス入力です。VO ピンは過電流検出回路のリファレンス入力も兼ねています。 11 FSEL レギュレータのスイッチング周波数を設定する入力ピンです。このピンを VCC に接続するとスイッチング周波 数は 1MHz に設定されます。100kΩ 抵抗を介してグラウンドに接続すると 600kHz に設定されます。開放のま ま使用すると 500kHz に設定されます。グラウンドに直接接続すると 300kHz に設定されます。 12 PGOOD パワーグッドを表すオープン・ドレイン出力です。コンバータがレギュレート電圧を供給できる状態のとき、こ のピンはハイ・インピーダンスになります。 13 EN IC のイネーブル入力です。EN ピンの電圧が EN 立ち上がりスレッショルド電圧を超えるとソフトスタート・シー ケンスが始まります。 14 PHASE UGATE ハイサイド MOSFET ドライバのリターン電流パス、R4 モジュレータの VIN センス入力、インダクタ電 流の極性検出回路入力です。 15 UGATE ハイサイド MOSFET ゲートドライバ出力です。コンバータ回路のハイサイド MOSFET のゲート端子に接続し てください。 16 BOOT ハイサイド MOSFET ドライバ UGATE の正電源入力です。BOOT ピンはショットキ－・ブートストラップ・ダ イオードのカソードに内部で接続されています。BOOT ピンと PHASE ピンの間に積層セラミック・コンデンサ (MLCC) CBOOT を接続してください。 17 VCC 18 PVCC MOSFET ドライバ回路 LGATE と UGATE の電源入力です。PVCC ピンはショットキー・ブートストラップ・ダ イオードのアノードに内部で接続されています。PVCC ピンには +5V を接続するとともに、積層セラミック・ コンデンサ (MLCC) を GND ピンとの間に接続してデカップリングしてください。 19 LGATE ローサイド MOSFET ゲートドライバの出力です。コンバータ回路のローサイド MOSFET のゲート端子に接続 してください。 20 PGND LGATE MOSFET ドライバのリターン電流パスです。ローサイド MOSFET のソース端子に接続してください。 ボトムパッド GND 電圧帰還センスの入力ピンです。制御ループ誤差トランスコンダクタンス・アンプの反転入力に内部で接続され ています。FB ピンの電圧が SREF ピンの電圧が等しいとき、コンバータはレギュレーション状態にあります。 IC バイアス電圧入力です。VCC ピンには +5V を接続するとともに、1 個以上の積層セラミック・コンデンサ (MLCC) を GND ピンとの間に接続してデカップリングしてください。 バイアス電源と信号リファレンスの IC グラウンドです。 9 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B 注文情報 製品型番 ( 備考 2) マーキング 温度範囲 ( ℃ ) パッケージ ( 鉛フリー ) パッケージの 外形図 ISL95870HRUZ-T ( 備考 1、4) GAV -10 ～ +100 16 Ld 2.6x1.8 µTQFN L16.2.6x1.8A ISL95870AHRUZ-T ( 備考 1、4) GAW -10 ～ +100 20 Ld 3.2x1.8 µTQFN L20.3.2x1.8 ISL95870BHRZ ( 備考 3) 870B -10 ～ +100 20 Ld 3x4 QFN L20.3x4 ISL95870BHRZ-T ( 備考 1、3) 870B -10 ～ +100 20 Ld 3x4 QFN L20.3x4 ISL95870IRUZ-T ( 備考 1、4) GAZ -40 ～ +100 16 Ld 2.6x1.8 µTQFN L16.2.6x1.8A ISL95870AIRUZ-T ( 備考 1、4) GAX -40 ～ +100 20 Ld 3.2x1.8 µTQFN L20.3.2x1.8 ISL95870BIRZ ( 備考 3) 870I -40 ～ +100 20 Ld 3x4 QFN L20.3x4 ISL95870BIRZ-T ( 備考 1、3) 870I -40 ～ +100 20 Ld 3x4 QFN L20.3x4 備考： 1. リールの詳細仕様についてはテクニカル・ブリーフ「Tape and Reel Specification for Integrated Circuit (TB347)」を参照してください。 2. 湿度感受性レベル (MSL) については ISL95870/ISL95870A/ISL95870B のデバイス情報ページを参照してください。MSL の詳細について はテクニカル・ブリーフ「Guidelines for Handling and Processing Moisture Sensitive Surface Mount Devices (TB363)」を参照してください。 3. インターシルの鉛フリーのプラスチック・パッケージ製品には、専用の鉛フリー素材、モールド素材、ダイアタッチ素材を採用すると ともに、亜鉛 100％の梨地メッキとアニーリングを施しています (RoHS 指令に準拠するとともに SnPb ハンダ付け作業や鉛フリーハン ダ付け作業とも互換性のある e3 端子仕上げ )。インターシルの鉛フリー製品は鉛フリー・ピークリフロー温度で MSL 分類に対応し、 この仕様は IPC/JEDEC J STD-020 の鉛フリー要件と同等か上回るものです。 4. インターシルの鉛フリーのプラスチック・パッケージ製品には、専用の鉛フリー素材、モールド素材、ダイアタッチ素材を採用すると ともに、NiPdAu メッキを施しています (RoHS 指令に準拠するとともに SnPb ハンダ付け作業や鉛フリーハンダ付け作業とも互換性のあ る e4 端子仕上げ )。インターシルの鉛フリー製品は鉛フリー・ピークリフロー温度において MSL 分類に対応し、この仕様は IPC/JEDEC J STD-020 の鉛フリー要件と同等か上回るものです。 10 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B 目次 アプリケーション回路図 : ISL95870 ......................................................................................................................................... 2 アプリケーション回路図：ISL95870A ...................................................................................................................................... 3 アプリケーション回路図：ISL95870B ...................................................................................................................................... 4 ブロック図 ................................................................................................................................................................................. 5 ISL95870 のピンの説明 ............................................................................................................................................................. 7 ISL95870A のピンの説明 ........................................................................................................................................................... 8 ISL95870B のピンの説明 ........................................................................................................................................................... 9 絶対最大定格 ............................................................................................................................................................................ 12 温度情報 ................................................................................................................................................................................... 12 推奨動作条件 ............................................................................................................................................................................ 12 電気的特性 ............................................................................................................................................................................... 12 動作の仕組み ............................................................................................................................................................................ 15 パワー・オン・リセット ..................................................................................................................................................... 15 スタートアップ・タイミング .............................................................................................................................................. 15 ISL95870 のスタートアップと電圧ステップ動作 ............................................................................................................... 15 ISL95870A と ISL95870B のスタートアップと電圧ステップ動作 ..................................................................................... 15 ISL95870 の出力電圧設定 ................................................................................................................................................... 16 ISL95870A の出力電圧設定 ................................................................................................................................................ 16 ISL95870B の出力電圧設定 ................................................................................................................................................ 17 高めの出力電圧の設定 ........................................................................................................................................................ 19 R4 モジュレータ ................................................................................................................................................................. 19 安定性 .................................................................................................................................................................................. 19 負荷変動応答 ....................................................................................................................................................................... 20 ダイオード・エミュレーション .......................................................................................................................................... 20 出力過電流保護機能 ............................................................................................................................................................ 20 出力過電圧保護機能 ............................................................................................................................................................ 21 出力アンダーボルテージ保護機能 ...................................................................................................................................... 21 過熱保護機能 ....................................................................................................................................................................... 21 PGOOD モニタ ................................................................................................................................................................... 22 内蔵ゲートドライバ ............................................................................................................................................................ 22 アダプティブ貫通電流保護 ................................................................................................................................................. 22 汎用アプリケーションの設計ガイドライン ............................................................................................................................. 22 LC 出力フィルタの選択 ...................................................................................................................................................... 22 入力コンデンサの選択 ........................................................................................................................................................ 23 ブートストラップ・コンデンサの選択 ............................................................................................................................... 23 ドライバの電力損失 ............................................................................................................................................................ 24 MOSFET の選択と検討すべき事項 ..................................................................................................................................... 24 基板レイアウトの注意事項 ................................................................................................................................................. 24 改訂履歴 ................................................................................................................................................................................... 26 製品 .......................................................................................................................................................................................... 26 L16.2.6x1.8A ............................................................................................................................................................................ 27 L20.3.2x1.8 .............................................................................................................................................................................. 28 L20.3x4 .................................................................................................................................................................................... 29 11 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B 絶対最大定格 温度情報 CC、PVCC、PGOOD、FSEL (GND 基準 ) . . . . . . . . . . -0.3V ～ +7.0V CC、PVCC (PGND 基準 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -0.3V ～ +7.0V GND (PGND 基準 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -0.3V ～ +0.3V EN、SET0、SET1、SET2、VO、VID0、 VID1、FB、RTN、OCSET、SREF. . . . . . . GND - 0.3V ～ VCC + 0.3V BOOT 電圧 (VBOOT-GND) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -0.3V ～ 33V BOOT と PHASE 間電圧 (VBOOT-PHASE) . . . . . . . . . -0.3V ～ 7V (DC) -0.3V ～ 9V (<10ns) PHASE 電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .GND - 0.3V ～ 28V GND -8V ( パルス幅 <20ns、10μJ) UGATE 電圧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VPHASE - 0.3V (DC) ～ VBOOT VPHASE - 5V ( パルス幅 <20ns、10μJ) ～ VBOOT LGATE 電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . GND - 0.3V (DC) ～ VCC + 0.3V GND - 2.5V ( パルス幅 <20ns、5μJ) ～ VCC + 0.3V ESD 定格 人体モデル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2kV 機械モデル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200V デバイス帯電モデル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1kV ラッチアップ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . +125 ℃で JEDEC Class II Level A 熱抵抗 ( 代表値 ) θJA ( ℃ /W) θJC ( ℃ /W) 16 Ld μTQFN ( 備考 5) . . . . . . . . . . . . . . . 90 N/A 20 Ld μTQFN ( 備考 5) . . . . . . . . . . . . . . . 88 N/A 20 Ld QFN ( 備考 6, 7) . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5 ジャンクション温度範囲 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -55°C ～ +150°C 動作温度範囲： “H” バージョン品. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -10 ℃～ +100 ℃ “I” バージョン品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -40 ℃～ +100 ℃ 保存温度範囲 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -65 ℃～ +150 ℃ 鉛フリー・リフロープロファイル . . . . . . . . . . . . 以下の URL を参照 http://www.intersil.com/pbfree/Pb-FreeReflow.asp 推奨動作条件 周囲温度範囲： “H” バージョン品. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -10 ℃～ +100 ℃ “I” バージョン品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -40 ℃～ +100 ℃ コンバータ入力電圧 (GND 基準 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3V ～ 25V VCC、PVCC (GND 基準 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5V ± 5% 注意：過度に長い時間にわたって最大定格点または最大定格付近で動作させないでください。そのような動作条件を課すと製品の信頼性に影 響が及ぶ恐れがあるとともに、保証の対象とはならない可能性があります。 備考： 5. θJA はデバイスを放熱効率の高い試験基板に実装しゲートドライバ自由大気中で測定した値です。詳しくはテクニカル・ブリーフ 「Thermal Characterization of Packaged Semiconductor Devices (TB379)」を参照してください。 6. θJA はデバイスを直接放熱効率の高い試験基板に実装し自由大気中で測定した値です。詳しくはテクニカル・ブリーフ「Thermal Characterization of Packaged Semiconductor Devices (TB379)」を参照してください。 7. θJC の測定における「ケース温度」位置は、パッケージ下面のエキスポーズド金属パッドの中心です。 電気的特性 すべての代表値は、TA = +25 ℃、VCC = 5V における値です。太字のリミット値は、特記のない限り、動作温度範囲 -40 ℃～ +100 ℃に対して適用されます。 PARAMETER MIN ( 備考 11) TYP MAX ( 備考 11) UNIT EN = 5V, VCC = 5V, FB = 0.55V, SREF < FB - 1.2 1.9 mA EN = GND, VCC = 5V - 0 1.0 µA EN = GND, PVCC = 5V - 0 1.0 µA SYMBOL TEST CONDITIONS VCC and PVCC VCC Input Bias Current IVCC VCC Shutdown Current IVCCoff PVCC Shutdown Current IPVCCoff VCC POR THRESHOLD Rising VCC POR Threshold Voltage VVCC_THR 4.40 4.52 4.60 V Falling VCC POR Threshold Voltage V 4.10 4.22 4.35 V VID0 = VID1 = VCC, PWM Mode = CCM (For “H” Version Parts, TA = -10 ℃ to +100 ℃ ) -0.5 - +0.5 % VID0 = VID1 = VCC, PWM Mode = CCM -0.75 +0.5 % VCC_THF REGULATION System Accuracy PWM Switching Frequency Accuracy FSW PWM Mode = CCM (For “H” Version Parts, TA = -10 ℃ to +100 ℃ ) -15 - +15 % PWM Mode = CCM -22 - +15 % EN = 5V - 600 - kΩ VO VO Input Impedance RVO VO Reference Offset Current IVOSS VENTHR < EN, SREF = Soft-Start Mode - 8.5 - µA VO Input Leakage Current IVOoff EN = GND, VO = 3.6V - 0 - µA 12 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B 電気的特性 すべての代表値は、TA = +25 ℃、VCC = 5V における値です。太字のリミット値は、特記のない限り、動作温度範囲 -40 ℃～ +100 ℃に対して適用されます。( 続き ) PARAMETER SYMBOL TEST CONDITIONS MIN ( 備考 11) TYP MAX ( 備考 11) UNIT ERROR AMPLIFIER FB Input Bias Current IFB EN = 5V, FB = 0.50V -20 - +50 nA Soft-Start Current ISS SREF = Soft-Start Mode 8.5 17 25.5 µA 85 ±119 µA IVS SREF = Setpoint-Stepping Mode (For “H” Version Parts, TA = -10 ℃ to +100 ℃ ) ±51 Voltage Step Current SREF = Setpoint-Stepping Mode ±46 ±85 ±127 µA SREF (Note 8) POWER GOOD PGOOD Pull-down Impedance RPG PGOOD = 5mA Sink - 50 150 Ω PGOOD Leakage Current IPG PGOOD = 5V - 0.1 1.0 µA GATE DRIVER UGATE Pull-Up Resistance (Note 9) RUGPU 200mA Source Current - 1.1 1.7 Ω UGATE Source Current (Note 9) IUGSRC UGATE - PHASE = 2.5V - 1.8 - A UGATE Sink Resistance (Note 9) RUGPD 250mA Sink Current - 1.1 1.7 Ω UGATE Sink Current (Note 9) IUGSNK UGATE - PHASE = 2.5V - 1.8 - A LGATE Pull-Up Resistance (Note 9) RLGPU 250mA Source Current - 1.1 1.7 Ω LGATE Source Current (Note 9) ILGSRC LGATE - GND = 2.5V - 1.8 - A LGATE Sink Resistance (Note 9) RLGPD 250mA Sink Current - 0.55 1.0 Ω LGATE Sink Current (Note 9) ILGSNK LGATE - PGND = 2.5V - 3.6 - A UGATE to LGATE Deadtime tUGFLGR UGATE falling to LGATE rising, no load - 21 - ns LGATE to UGATE Deadtime tLGFUGR LGATE falling to UGATE rising, no load - 21 - ns RPHASE - 33 - kΩ PHASE PHASE Input Impedance BOOTSTRAP DIODE Forward Voltage VF PVCC = 5V, IF = 2mA - 0.58 - V Reverse Leakage IR VR = 25V - 0 - µA CONTROL INPUTS EN High Threshold Voltage VENTHR 2.0 - - V EN Low Threshold Voltage VENTHF - - 1.0 V 0.85 1.7 2.55 µA - 0 1.0 µA EN Input Bias Current IEN EN Leakage Current IENoff EN = 5V EN = GND VID<0,1> High Threshold Voltage (Note 10) VVIDTHR 0.65 - - V VID<0,1> Low Threshold Voltage (Note 10) VVIDTHF - - 0.5 V VID<0,1> Input Bias Current (Note 10) IVID EN = 5V - 0.5 - µA VID<0,1> Leakage Current (Note 10) IVIDoff EN=0V - 0 - µA 13 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B 電気的特性 すべての代表値は、TA = +25 ℃、VCC = 5V における値です。太字のリミット値は、特記のない限り、動作温度範囲 -40 ℃～ +100 ℃に対して適用されます。( 続き ) PARAMETER MIN ( 備考 11) TYP MAX ( 備考 11) UNIT VOCSET - VO -1.75 - 1.75 mV EN = 5.0V (For “H” Version Parts, TA = -10 ℃ to +100 ℃ ) 7.65 8.5 9.35 µA EN = 5.0V 7.05 8.5 9.35 µA SYMBOL TEST CONDITIONS PROTECTION OCP Threshold Voltage VOCPTH OCP Reference Current IOCP OCSET Input Resistance ROCSET EN = 5.0V - 600 - kΩ OCSET Leakage Current IOCSET EN = GND - 0 - µA UVP Threshold Voltage VUVTH VFB = %VSREF 81 84 87 % VFB = %VSREF (For “H” Version Parts, TA = -10 ℃ to +100 ℃ ) 113 116 120 % VFB = %VSREF 112.5 116 120 % VFB = %VSREF 98 102 106 % OVP Rising Threshold Voltage VOVRTH OVP Falling Threshold Voltage VOVFTH OTP Rising Threshold Temperature (Note 9) TOTRTH - 150 - ℃ OTP Hysteresis (Note 9) TOTHYS - 25 - ℃ 備考： 8. ISL95870 の内部リファレンスは 0.5V のみです。ISL95870A と ISL95870B は抵抗設定により 4 通りのリファレンス電圧があります。 9. リミット値は特性評価によって得ており、製造時試験は行っていません。 10. VID 機能は ISL95870A と ISL95870B のみです。 11. MIN パラメータと MAX パラメータは特記のない限り +25 ℃で全数試験を行っています。温度リミットは特性評価によって得ており、 製造時試験は行っていません。 14 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B 動作の仕組み ISL95870/ISL95870A/ISL95870B の 内 部 動 作 を 以 下のセク ションで説明します。 パワー・オン・リセット VCC ピン電圧がパワー・オン・リセット (POR) 立ち上がり スレッショルド電圧 VVCC_THR を超えるまで、IC はディス エーブルされています。また、VCC ピン電圧が POR 立ち下 がりスレッショルド電圧 VVCC_THF を下回ると、コントロー ラはディスエーブルになります。POR 検出回路にはおよそ 1μs のノイズフィルタが内蔵されています。 VCC ピン電圧が VVCC_THR を超え、かつ、EN ピン電圧が EN 立ち上がりスレッショルド電圧 VENTHR を上回ると、コ ントローラはイネーブルになります。およそ 20μs 後に SREF ピン電圧は選択されている VID セットポイントに向けて上 昇を開始します。FB 帰還ピンにおけるコンバータの出力電 圧は、SREF ピン電圧に追従します。ソフトスタート期間中、 ソフトスタート・シーケンスが完了するまで、レギュレータ は常に CCM ( 連続電流モード ) で動作します。 ISL95870 のスタートアップと電圧ステップ動作 VCC ピン電圧が POR 立ち上がりスレッショルド電圧 VVCC_THR を超え、そして EN ピン電圧が EN 立ち上がりス レッショルド電圧 VENTHR を上回ると、SREF ピンから放電 クランプ回路が切り離され、リファレンス・アンプ VSET が 有効になります。上限が 17μA に設定されているソフトス タート電流 ISS が SREF ピンから出力され、VSREF 電圧が VREF 電圧に等しくなるまで CSOFT を充電します。レギュ レータは FB ピン電圧が SREF ピン電圧上昇に追従するよう に PWM を制御します。EN がアサートされたのち、VSREF によって CSOFT 電圧が VREF まで充電される時間をソフト スタート・ディレイ tSS と呼び、式 1 で与えられます。 （式 1） - ISS は 17μA を上限とするソフトスタート電流 - VSREF はバッファされた VREF リファレンス電圧 ソフトスタートの終了は、充電によってコンデンサ CSOFT 電圧が VREF に近づいて、ISS が徐々に減少していくことで 検出されます。ソフトスタートが終了すると、内部 SSOK フ ラグがセットされ、PGOOD ピンはハイ・インピーダンスに なり、ダイオード・エミュレーション・モード (DEM) が有 効になります。 所望のソフトスタート・ディレイ tSS を満たすコンデンサ CSOFT 容量は、式 2 を用いて求めます。 t SS ⋅ I SS C SOFT = ---------------------V SREF - VCC ピン電圧が POR 立ち上がりスレッショルド電圧 VVCC_THR を超え、EN ピン電圧が EN 立ち上がりスレッショ ルド電圧 VENTHR を上回ると、SREF ピンから放電クランプ 回路が切り離されるとともに、リファレンス・アンプ VSET が有効になります。上限が 17μA に設定されているソフト スタート電流 ISS が SREF ピンから出力され、コンデンサ CSOFT と抵抗 RT で構成される並列 RC ネットワークを充電 します。抵抗 RT は直列に接続されている RSET 設定抵抗の 和で、式 3 で与えられます。 R T = R SET1 + R SET2 + …R SET ( n ) スタートアップ・タイミング V SREF ⋅ C SOFT t SS = -----------------------------------------I SS ISL95870A と ISL95870B のスタートアップと 電圧ステップ動作 （式 2） （式 3） CSOFT が ISS によって充電されるにつれて、EN ピンがアサー トされた時点の VID 入力によって選択された電圧リファレン ス・セットポイントに向けて、SREF ピンの電圧は上昇してい きます。レギュレータは FB ピン電圧が SREF ピンの電圧上昇 に追従するように PWM を制御します。CSOFT 電圧が選択し たセットポイント電圧にまで充電されると、ISS 電流は上限で ある 17μA から VSREF/RT で設定された一定値へと減少して いきます。EN がアサートされたのち、VSREF によって CSOFT 電圧が電圧リファレンス・セットポイントにまで充電される 時間をソフトスタート・ディレイ tSS と呼び、式 4 で与えられ ます。 V START-UP t SS = – ( R T ⋅ C SOFT ) ⋅ LN(1 – -----------------------------) I SS ⋅ R T （式 4） - ISS は 17μA を上限とするソフトスタート電流 - VSTART-UP は EN がアサートされた時点で VID 入力に よって選択されたセットポイント・リファレンス電圧 - RT は RSET 設定抵抗の合計値 ソフトスタートの終了は、充電によってコンデンサ CSOFT 電圧が選択した VSET 電圧リファレンス・セットポイントに 近づいて、ISS が徐々に減少していくことで検出されます。 ソフトスタートが終了すると、内部 SSOK フラグがセットさ れ、PGOOD ピンはハイ・インピーダンスになります。 ISS 電流源は電流上限値が± 85μAの電圧ステップ電流源IVS に切り替わります。VID 入力または外部セットポイント・リ ファレンスのいずれかが新たなセットポイント・リファレン ス電圧に変更されると、コンデンサ CSOFT の電圧が新たな電 圧レベルになるように、± 85μA の電流 IVS によって CSOFT の充電または放電が行われます。CSOFT 電圧が選択したセッ トポイント電圧に近づくと、IVS 電流は上限の 85μA から VSREF/RT で設定された定常値へと減少していきます。CSOFT の充放電によって新たな電圧に変わるまでの経過時間を電 圧ステップ・ディレイ tVS と呼び、式 5 で表されます。 ( V NEW – V OLD ) t VS = – ( R T ⋅ C SOFT ) ⋅ LN(1 – ------------------------------------------) I VS ⋅ R T （式 5） tSS はソフトスタート・ディレイ時間 ISS は 17μA を上限とするソフトスタート電流 VSREF はバッファされた VREF リファレンス電圧 15 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B VOUT RFB FB - VNEW はVID入力で選択した新しいセットポイント電圧 VCOMP − EA ROFS - IVS は± 85μA のセットポイント電圧ステップ電流で、 VNEW > VOLD のとき正極性、VNEW < VOLD のとき負 極性 + VREF - VOLD は VNEW へと切り替わる前のセットポイント電圧 + - RT は RSET 設定抵抗の合計値 VSET − 所望のソフトスタート・ディレイ tSS を満たすコンデンサ CSOFT 容量は、式 6 を用いて求めます。 SREF （式 6） CSOFT – t SS C SOFT = --------------------------------------------------------------------V START-UP R T ⋅ LN(1 – ------------------------------) I SS ⋅ R T - tSS はソフトスタート・ディレイ時間 図 9. ISL95870 電圧設定回路 - ISS は 17μA を上限とするソフトスタート電流 - VSTART-UP は EN がアサートされた時点で、VID 入力 で選択されたセットポイント・リファレンス電圧 - RT は RSET 設定抵抗の合計値 所望の電圧ステップ・ディレイ tVS を満たすコンデンサ CSOFT 容量は、式 7 を用いて求めます。 – t VS C SOFT = ----------------------------------------------------------------------------V NEW – V OLD R T ⋅ LN(1 – ---------------------------------------) I VS ⋅ R T （式 7） - tVS は電圧ステップ・ディレイ時間 - VNEW はVID入力で選択した新しいセットポイント電圧 - VOLD は VNEW へと切り替わる前のセットポイント電圧 - IVS は± 85μA セットポイント電圧ステップ電流で、 VNEW > VOLD のとき正極性、VNEW < VOLD のとき負 極性 - RT は RSET 設定抵抗の合計値 ISL95870 の出力電圧設定 ISL95870 のリファレンス電圧 (VSREF) は 0.5V に固定されて います。図 9 からわかるように、RFB を 0Ω にし、ROFS を 開放にすると、出力電圧はリファレンス電圧と等しくなりま す。また、ROFS と RFB で構成される抵抗分圧回路を使えば、 0.5V ～ 5V の範囲で出力電圧を設定できます。出力電圧とリ ファレンス電圧の関係を式 8 に示します。 R FB + R OFS V OUT = V SREF ⋅ ---------------------------------R OFS 16 ISL95870A の出力電圧設定 ISL95870A は電圧識別ピン VID1 と VID0 を使って 4 通りの リファレンス電圧から 1 つを選択できるため、4 通りの出力 電圧を設定できます。リファレンス電圧は 1.5V より高く設 定することはできません。実装方法を図 10 に示します。セッ トポイント・リファレンス電圧は抵抗群 RSET(x) によって設 定され、(x) は、SREF ピンを先頭にグラウンドに至る直列接 続抵抗の順番に応じた番号を表しています。表 1 に示すよう に、VID1 と VID0 のそれぞれの組み合わせはそれぞれのス イッチの開閉に対応します。たとえば、VID1 = 1 と VID0 = 0 の場合、スイッチ SW1 は閉じ、残りの SW0、SW2、SW3 は 開きます。VID1 と VID0 の組み合わせに応じて、VSET アン プの反転入力は、内部スイッチを介して、設定抵抗 RSET ス トリングの特定ノードに接続されます。そのノードと SREF ピンの間に接続されているすべての抵抗は VSET アンプの帰 還インピーダンス RF として機能します。同様に、そのノー ドとグラウンドの間にあるすべての抵抗は VSET アンプの入 力インピーダンス RIN として機能します。VSET アンプのゲ インの一般式を式 9 に示します。 RF V SETX = V REF ⋅ 1 + --------- R IN （式 9） - VREF は IC の内部リファレンス 0.5V - VSETx は設定によって SREF ピンに出力されるセット ポイント・リファレンス電圧 表 1. ISL95870A の VID の真理値表 （式 8） VID ステート 設定結果 VID1 VID0 閉 VSREF VOUT 1 1 SW0 VSET1 VOUT1 1 0 SW1 VSET2 VOUT2 0 1 SW2 VSET3 VOUT3 0 0 SW1, SW3 VSET4 VOUT4 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B 式 10、式 11、式 12、式 13 は、ISL95870A の各セットポイン ト・リファレンス電圧 VSET を表しています。 VOUT （式 10） V SET1 = V REF FB + + VSET − ISL95870A の VSET2 セットポイントは式 11 で表されます。 R SET1 V SET2 = V REF ⋅ 1 + ------------------------------------------- R SET2 + R SET3 （式 11） ISL95870A の VSET4 セットポイントは式 13 で表されます。 R SET1 V SET4 = V REF ⋅ 1 + ----------------- R SET2 （式 13） VSET1 は 0.5V に固定されています。その理由は、内部スイッ チ SW0 が閉じ、VSET アンプが 0.5V の電圧リファレンス VREF のユニティゲイン・ボルテージ・フォロワとして構成 されるためです。VSET3 は、RSET1、RSET2、RSET3 の選択 によっては、計算上は VSET4 よりも高くまたは低く設定で きるほか、等しく設定することもできます。ただし、 4 通りのリファレンス電圧は以下の電圧順になるように設計 することを推奨します。 - VSET1 < VSET2 < VSET3 < VSET4、したがって、 - VOUT1 < VOUT2 < VOUT3 < VOUT4 所望の 4 通りのリファレンス電圧 VSETx に対して、RSETx の 抵抗値を非ゼロとするには、以下の式を満たさなければなり ません。 V SET1 ⋅ V SET2 + V SET3 ⋅ V SET4 – V SET2 ⋅ V SET3 – V SET2 ⋅ V SET4 = 0 （式 14） 設定抵抗 RSET1、RSET2、RSET3 は以下の方法で選択します。 まず RSET3 の初期値として 100kΩ 前後を割り当て、次に 式15と式16 を使ってRSET1 とRSET2 をそれぞれ計算します。 R SET3 ⋅ ( V SET4 – V REF ) ⋅ ( V SET2 – V REF ) R SET1 = --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------V REF ⋅ ( V SET4 – V SET2 ) （式 15） R SET3 ⋅ ( V SET2 – V REF ) R SET2 = ------------------------------------------------------------------V SET4 – V SET2 （式 16） 設定抵抗の合計値は式 17 に示すようにおよそ 300kΩ になる ようにしてください。300kΩ 前後にならない場合は RSET3 の値を変更して計算をやり直します。 R SET1 + R SET2 + R SET3 ≅ 300kΩ 17 （式 17） RSET1 SET0 RSET2 （式 12） SET1 RSET3 R SET1 + R SET2 V SET3 = V REF ⋅ 1 + ------------------------------------------- R SET3 CSOFT SREF ISL95870A の VSET3 セットポイントは式 12 で表されます。 VCOMP − EA ROFS ISL95870A の VSET1 セットポイントは式 10 で表されます。 RFB VREF 0.5V SW0 SW1 SW2 SW3 図 10. ISL95870A の電圧設定回路 0.5V ～ 1.5V の範囲の出力電圧を得たい場合、外部に抵抗分 圧回路は必要ありません。出力電圧は VID1 と VID0 の状態 で決まるリファレンス電圧の 1 つと等しくなります。出力電 圧を 1.5V ～ 5V の範囲で設定するには、RFB と ROFS で構成 される外付け抵抗分圧回路を使います。出力電圧とリファレ ンス電圧の関係を式 18 に示します。 R FB + R OFS V OUT = V SREF ⋅ ---------------------------------- = V SREF ⋅ k R （式 18） OFS 4 通りの出力電圧は、それぞれ対応する各リファレンス電圧 に係数 k を乗じた値と等しくなります。 V OUTx = V SETx ⋅ k （式 19） ISL95870B の出力電圧設定 ISL95870B は電圧識別ピン VID1 と VID0 を使って 4 通りの リファレンス電圧から1つを選択できるようになっているた め、4 通りの出力電圧を設定できます。リファレンス電圧は 1.5V より高く設定できません。実装方法を図 11 に示します。 セットポイント・リファレンス電圧は抵抗群 RSET(x) によっ て設定され、(x) は、SREF ピンを先頭としてグラウンドへと 続く直列接続抵抗の順番に応じた番号を表しています。表 2 に示すように、VID1 と VID0 のそれぞれの組み合わせはそ れぞれのスイッチの開閉に対応します。たとえば、VID1 = 1 と VID0 = 0 の組み合わせでは、スイッチ SW1 は閉じ、残り の SW0、SW2、SW3 は開きます。VID1 と VID0 の組み合わ せに応じて、VSET アンプの反転入力は、内部スイッチを介 して、設定抵抗 RSET ストリングの特定ノードに接続されま す。 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B そのノードと SREF ピンの間に接続されているすべての抵抗 は VSET アンプの帰還インピーダンス RF として機能します。 同様に、そのノードとグラウンドの間にあるすべての抵抗は VSET アンプの入力インピーダンス RIN として機能します。 VSET アンプのゲインの一般式を式 20 に示します。 R SET4 ⋅ V SET4 ⋅ ( V SET2 – V REF ) R SET1 = -----------------------------------------------------------------------------------------V REF ⋅ V SET2 （式 25） R SET4 ⋅ V SET4 ⋅ ( V SET3 – V SET2 ) R SET2 = --------------------------------------------------------------------------------------------V SET2 ⋅ V SET3 （式 26） RF V SETX = V REF ⋅ 1 + --------- R IN R SET4 ⋅ ( V SET4 – V SET3 ) R SET3 = ---------------------------------------------------------------------V SET3 （式 27） （式 20） - VREF は IC の内部リファレンス 0.5V - VSETx は設定によって SREF ピンに出力されるセット ポイント・リファレンス電圧 表 2. ISL95870B の VID の真理値表 VID のステート 設定抵抗の合計値は式 28 に示すようにおよそ 300kΩ になる ようにしてください。300kΩ 前後にならない場合は RSET4 の値を変更して計算をやり直します。 R SET1 + R SET2 + R SET3 + R SET4 ≅ 300kΩ （式 28） 設定結果 VID0 閉 VSREF VOUT 1 1 SW0 VSET1 VOUT1 1 0 SW1 VSET2 VOUT2 0 1 SW2 VSET3 VOUT3 0 0 SW3 VSET4 VOUT4 VOUT RFB FB ISL95870B の VSET2 セットポイントは式 22 で表されます。 RSET1 SET1 （式 22） RSET3 R SET1 V SET2 = V REF ⋅ 1 + -------------------------------------------------------------------- R + R + R SET2 SET3 SET4 SET0 RSET2 （式 21） SREF CSOFT V SET1 = V REF + R SET1 + R SET2 V SET3 = V REF ⋅ 1 + ------------------------------------------- R SET3 + R SET4 （式 23） SW0 SW1 SW2 SW3 RSET4 SET2 ISL95870B の VSET3 セットポイントは式 23 で表されます。 VREF 0.5V + VSET − 式 21、式 22、式 23、式 24 は、ISL95870B の各セットポイン ト・リファレンス電圧 VSET を表しています。 ISL95870B の VSET1 セットポイントは式 21 で表されます。 VCOMP − EA ROFS VID1 図 11. ISL95870B の電圧設定回路 ISL95870B の VSET4 セットポイントは式 24 で表されます。 R SET1 + R SET2 + R SET3 V SET4 = V REF ⋅ 1 + -------------------------------------------------------------------- R SET4 （式 24） VSET1 は 0.5V に固定されています。その理由は、内部スイッ チ SW0 が閉じ、VSET アンプが 0.5V の電圧リファレンス VREF のユニティゲイン・ボルテージ・フォロワとして構成 されるためです。セットポイント・リファレンス電圧の名称 (x) は、SREF ピンを先頭としてグラウンドへと続く直列接続 抵抗の順番に応じた番号を表しています。 - VSET1 < VSET2 < VSET3 < VSET4、したがって - VOUT1 < VOUT2 < VOUT3 < VOUT4 所望の 4 通りのリファレンス電圧 VSETx に対して、設定抵 抗 RSET1、RSET2、RSET3、RSET4 は次の方法で求めます。ま ず、RSET4 の初期値として 100kΩ 前後を割り当て、次に、 式 25、式 26、式 27 を使って、RSET1、RSET2、RSET3 をそ れぞれ計算します。 18 0.5V ～ 1.5V の範囲の出力電圧を得たい場合は、外部に抵抗 分圧回路は必要ありません。出力電圧は VID1 と VID0 の状 態で決まるリファレンス電圧の 1 つと等しくなります。出力 電圧を 1.5V ～ 5V の範囲で設定するには、RFB と ROFS で構 成される外付け抵抗分圧回路を使います。出力電圧とリファ レンス電圧の関係を式 29 に示します。 R FB + R OFS V OUT = V SREF ⋅ ---------------------------------- = V SREF ⋅ k R （式 29） OFS 4 通りの出力電圧は、それぞれ対応する各リファレンス電圧 に係数 k を乗じた値と等しくなります。 V OUTx = V SETx ⋅ k （式 30） FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B 高めの出力電圧の設定 ISL95870 のリファレンス電圧 (VSREF) は 0.5V に固定されて います。アプリケーションが高めの出力電圧を必要とする場 合は、RFB と ROFS で構成される抵抗分圧回路の比を大きく しなければなりません ( たとえば 5V 出力を得るには RFB:ROFS = 9:1)。分圧比の大きな抵抗分圧回路を FB ピンに 接続するとノイズの影響を受けやすくなるため、プリント基 板のルーティングには充分な注意が必要です。RFB = 1kΩ な ど、できるだけ低い抵抗値を使用するようにしてください。 COMPENSATION TO COUNTER INTEGRATOR POLE INTEGRATOR FOR HIGH DC GAIN V V OUT V COMP VDAC 図 12. 積分型誤差アンプの構成 出力電圧が 3.3V ～ 5V の範囲のときに、特に DCM ( 不連続 導通モード ) では、一般に ISL95870A と ISL95870B のほう が ISL95870 よりも低ジッタとなります。その理由は、VSREF 電圧を 1.5V に設定すれば分圧比の小さい抵抗分圧回路が使 用でき、FB ピンにおける信号雑音比の向上が図れるからで す。そのため、3.3V ～ 5V の範囲の出力電圧が必要な場合は、 ISL95870A と SL95870B の VSREF は 1.5V に設定するように してください。 R3 LOOP GAIN (dB) INTEGRATOR POLE p1 L/C DOUBLE-POLE p2 R4 モジュレータ -20dB CROSSOVER REQUIRED FOR STABILITY p3 0 -2 dB ec /d c de 19 B/ 古典的な制御理論で安定的なシステムを維持するには、ユニ ティゲインを用いて 1 個のポールのみが存在する系へと移行 させる必要があります。電流モード・アーキテクチャ ( ピー ク、ピークバレー、電流モードヒステリシス、R3、R4 など ) では、LC 共振点またはその近くに 1 個のゼロが生成され、系 に存在するうちの 1 個のポールが実効的に打ち消されます。 系には依然として 2 個のポールが存在するため、安定動作を 得るには、ユニティゲイン・クロスオーバーの手前側にある ゼロを用いて、そのうちの 1 個のポールを打ち消してやる必 要があります。必要なゼロを導入するために補償部品を追加 します。 c R4 モジュレータが補償を必要としない理由は、高 DC ゲイン を必要としないためです。従来のアーキテクチャでは、電圧 ループ内の積分回路を用いて高 DC ゲインを実現してきまし た。この積分回路によって開ループ伝達関数の低い周波数に 1 個のポールが導入されます。このポールと出力 LC フィル タでもたらされる 2 個のポールとを加えた 3 個のポールの系 が形成されるため、安定性を維持するには補償が必要でし た。 d -40 安定性 COMPENSATOR TO ADD z2 IS NEEDED CURRENT-MODE ZERO z1 e -60dB/d R4 モジュレータは R3 テクノロジの進化系の 1 つです。R4 モジュレータは R3 と同様に、負荷変動に対してスイッチン グ周波数を変化させて応答する特長を備えながら、電流モー ド・ヒステリシス・コントローラのメリットを維持していま す。さらに R4 モジュレータは、レギュレータの低出力イン ピーダンス化を実現するとともに、補償ループ内に高ゲイン 電圧アンプを必要としない正確な電圧リファレンスを搭載 しています。その結果、電圧モード・ヒステリシス・コント ローラに匹敵する応答速度やリニアな制御モデルと、外部位 相補償回路を必要としないトポロジが実現されています。こ の特長によって、レギュレータ回路設計の大幅な簡略化と外 付け部品コストの削減がもたらされます。 f (Hz) 図 13. 非補償積分回路の開ループ応答 電圧ループ誤差アンプの古典的な積分回路を図 12 に示しま す。このような従来テクノロジでは、正確なレギュレーショ ンに必要な高 DC ゲインが積分回路によって実現される一方 で、低い周波数帯に 1 個のポールが制御ループ内に導入され ます。図 13 に、電圧ループ内に積分コンデンサを追加した ことで得られる開ループ応答を示します。安定動作を得るに は図 12 に示した補償部品が必要です。 R4 は高ゲイン電圧ループを必要としないため積分回路は不 要であり、ループ内にもともと備わっているポール数は 2 個 です。電流モードのゼロがそのうちの 1 個のポールを打ち消 すため、出力フィルタの選択幅の広い単一ポールのクロス オーバー特性が得られます。その結果、補償部品や複雑な数 式を必要とせずに、安定的な動作が実現されます。 R2 VOUT VCOMP R1 VDAC 図 14. 非積分型 R4 誤差アンプの構成 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B 高精度なレギュレーションに必要な高 DC ゲインの積分回路 を必要としない R4 誤差アンプを図 14 に示します。その開 ループ応答を図 15 に示します。 R4 LOOP GAIN (dB) L/C DOUBLE-POLE p1 SYSTEM HAS 2 POLES AND 1 ZERO p2 NO COMPENSATOR IS NEEDED ec /d B 0d ec -2 /d B c 0d / de -2 dB -40 CURRENT-MODE ZERO z1 f (Hz) 図 15. 非補償型 R4 開ループ応答 負荷変動応答 古典的アーキテクチャにおける積分回路は、補償ゼロが必要 なだけではなく、負荷変動条件に対する応答が遅い性質があ ります。出力電圧の急激な変動に対して COMP 電圧の変化 は低速です。積分コンデンサを除去できれば、COMPはVOUT に応じて高速に変化し、モジュレータは速やかにスイッチン グ周波数を上下させ、出力電圧を正常な状態に戻せます。 IOUT t R4 R3 VCOMP 同期整流回路は標準的な DC/DC 降圧レギュレータとは違っ て、DCM 期間中に出力フィルタ・インダクタから電流をシ ンクする場合があり、ローサイド MOSFET がインダクタ電 流をシンクするときに発生する不必要な導通損失によって 軽負荷時の効率は低下します。 ISL95870/ISL95870A/ISL95870B コントローラは、ローサイ ド MOSFET にダイオードの電流遮断挙動をエミュレートさ せて、DCM 時の導通損失を回避しています。負極性インダ クタ電流によってローサイド MOSFET の rDS(ON) の両端で 正極性の電圧降下が連続 8 PWM サイクルにわたって発生 し、そして LGATE ピンが High のとき、いわゆる「ダイ オード・エミュレーション・モード (DEM)」といわれるス マート・ダイオード動作がトリガされます。ローサイド MOSFET の rDS(ON) の両端電圧が負極性になったことが検 出されると、次の PWM パルスでコンバータは DEM 動作を 終了します。 DCM 期間中に PWM スイッチング周波数を下げて、ゲート ドライバの不必要なスイッチング損失を抑えて効率を高め る動作は、R4 アーキテクチャの特性によるものです。周波 数低減の範囲は負荷電流の減少量に比例します。DEM に移 行すると、ウィンドウ電圧 VW を強制的に 30％程度高めて、 PWM 周波数を強制的に 30％ほど低下させます。これは CCM と DCM の境界でモード切り換えが発振しないようにする措 置です。DEM から復帰すると 30％ほど高く設定していた VW は元に戻され、PWM スイッチング周波数は通常の CCM 値 に強制的に戻されます。 出力過電流保護機能 過電流保護 (OCP) セットポイントは OCSET ピンと PHASE ピンの間に接続した抵抗 ROCSET で設定します。VO ピンと コンバータの実際の出力電圧との間には抵抗 RO を接続しま す。通常動作中は VO ピンはハイ・インピーダンスとなるた め RO の両端で電圧降下は発生しません。RO の抵抗値は ROCSET と同じにしてください。 t L VOUT DCR PHASE ROCSET t 図 16. R3 と R4 の理想負荷変動応 積分回路を使用したときの負荷変動に対するVOUTとVCOMP の時間遅れを、図 16 に赤と青の点線で示します。赤と青の 実線は、積分コンデンサを排除して高い応答性能を実現した R4 の振る舞いを示しています。 + 8.5µA OCSET + VROCSET IL VDCR CSEN _ VO CO _ RO VO 図 17. 過電流設定回路 ダイオード・エミュレーション 出力インダクタ電流の極性を、PHASE ノードから流出する方 向を正極性、PHASE ノードに流入する方向を負極性と定義し ます。インダクタ電流の DC 成分は正極性ですが、リップル 電流と呼ばれるAC成分は正極性にも負極性にもなり得ます。 インダクタ電流の AC 成分と DC 成分の和がスイッチング期 間全体で正極性に維持されている場合は、コンバータは連続 導通モード (CCM) で動作しています。インダクタ電流が負ま たはゼロになる場合は、コンバータは不連続導通モード (DCM) で動作しています。 20 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B 図 17 に過電流設定回路を示します。インダクタはインダク タンス成分 L と DC 抵抗成分 DCR とで構成されます。イン ダクタ DC 電流 IL によって DCR 両端で電圧降下が発生し、 式 31 で与えられます。 V DCR （式 31） I L ⋅ DCR 電流源 IOCSET が OCSET ピンから 8.5μA の電流をシンクす るため、抵抗 ROCSET の両端には式 32 で与えられる DC 電 圧降下が生じます。 V ROCSET 8.5μA ⋅ R OCSET （式 32） OCSETピンとVOピンのDC電圧の差は式33で与えられます。 V OCSET V VO V DCR V ROCSET I L ⋅ DCR I OCSET ⋅ R OCSET （式 33） ICはOCSETピン電圧とVOピン電圧をモニタします。OCSET ピン電圧が VO ピン電圧よりも 10μs 以上にわたって高くな ると、OCP フォルトが発生してコンバータ動作はオフに切り 替わります。 ROCSET の抵抗値は以下の式 34 で求めます。 R OCSET I OC ⋅ DCR ---------------------------I OCSET （式 34） OVP フォルトが発生するとコンバータ動作はオフ状態にな りますが、出力電圧が VOVRTH スレッショルドと VOVFTH スレッショルドを往復したときは、LGATE ドライバはロー サイド MOSFET のターンオンとターンオフを行います。ま ず、LGATE ドライバはローサイド MOSFET をターンオンし て出力電圧を放電させ、負荷を保護します。FB ピン電圧が 2μs 以上にわたって過電圧立ち下がりスレッショルド VOVRTH を下回ると、LGATE ドライバはローサイド MOSFET をターンオフします。過電圧立ち下がりスレッショルド VOVFTH の代表値は 102％です。すなわち、FB ピン電圧が 2μs以上にわたって102%×1.0V = 1.02Vを下回ると、LGATE ドライバはローサイド MOSFET をターンオフします。出力 電圧が再度上昇して FB ピン電圧が過電圧立ち上がりスレッ ショルド VOVRTH を 2μs 以上にわたって超えると、LGATE ドライバは再びローサイド MOSFET をターンオンします。こ のような動作によって過電圧状態が解消されるまで IC は負 荷を保護します。 出力アンダーボルテージ保護機能 - ROCSET は過電流セットポイントの設定抵抗 ( 単位 Ω) - -IOC は OCP フォルト検出回路を作動させる出力 DC 負 荷電流 - DCR はインダクタの DC 抵抗成分 たとえば、IOC が 20A で DCR が 4.5mΩ のとき、ROCSET に は 20A × 4.5mΩ/8.5μA = 10.5kΩ を選択します。 抵抗 ROCSET とコンデンサ CSEN によってインダクタ電流を センスする RC ネットワークが構成されます。DC 動作時だ けではなく動的な動作時もインダクタ電流を正確にセンス するには、RC ネットワークの時定数 ROCSET × CSEN はイ ンダクタの時定数 L/DCR と等しくなければなりません。 CSEN の容量は式 35 で求めます。 C SEN 必要があります。数値で表すと 116% × 1.0V = 1.16V です。 OVP が動作すると、コンバータ動作はオフになり、PGOOD が Low にアサートされます。EN ピン電圧が EN 立ち下がり スレッショルド電圧 VENTHF を下回るか、VCC が POR 立ち 下がりスレッショルド電圧 VVCC_THF を下回るまで、フォ ルト状態は続きます。 L -----------------------------------------R OCSET ⋅ DCR （式 35） たとえば、L が 1.5μH、DCR が 4.5mΩ、ROCSET が 9kΩ の とき、CSEN には 1.5μH/(9kΩ × 4.5mΩ) = 0.037μF を選択 します。 OCP が動作すると、コンバータはオフ状態になり、PGOOD ピンは Low にアサートされます。EN ピン電圧が EN 立ち下 がりスレッショルド電圧 VENTHF を下回るか、VCC が POR 立ち下がりスレッショルド電圧 VVCC_THF を下回るまで、 フォルト状態は続きます。 出力過電圧保護機能 FB ピン電圧が 2μs 以上にわたってアンダーボルテージ・ス レッショルド VUVTH を下回ると、UVP フォルト検出回路が トリガされます。たとえば、コンバータが 1.0V をレギュレー トするように FB ピンが設定されている場合、UVP フォルト がトリガされるには 2μs 以上にわたって FB ピン電圧が VUVTH スレッショルドの代表値である 84％を下回る必要が あります。数値で表すと 84% × 1.0V = 0.84V です。UVP フォ ルトが宣言されると、コンバータ動作はオフになり、PGOOD が Low にアサートされます。EN ピン電圧が EN 立ち下がり スレッショルド電圧 VENTHF を下回るか、VCC が POR 立ち 下がりスレッショルド電圧 VVCC_THF を下回るまで、フォ ルト状態は続きます。 過熱保護機能 IC の温度が上昇スレッショルド温度 TOTRTH を超えると、IC はOTPステートに移行し、 PWM動作は一時的に停止しLGATE と UGATE 両ゲートドライバ出力は強制的に Low に固定され ます。このとき、PGOOD ピンの状態は変化せず、また、コン バータ動作はオフにはなりません。IC の温度が通常 PWM 動 作に復帰する下降ヒステリシス温度 TOTHYS を下回るまで、 PWM は停止状態を続けます。EN ピン電圧が EN 立ち下がり スレッショルド電圧 VENTHF を下回るか、VCC が POR 立ち 下がりスレッショルド電圧 VVCC_THF を下回ると、OTP 状態 はリセットされます。IC が OTP 状態にあるときでもそのほか の保護機能は有効です。PWM 動作が停止するため、出力電圧 はアンダーボルテージ・スレッショルド VUVTH よりも低く なって、UVP フォルトが発生すると考えられます。 FB ピン電圧が過電圧立ち上がりスレッショルド VOVRTH を 2μs 以上にわたって超えると、OVP ( 過電圧 ) フォルト保護 回路がトリガされます。たとえば、コンバータが 1.0V をレ ギュレートするように FB ピンが設定されている場合、OVP フォルトがトリガされるには 2μs 以上にわたって FB ピン電 圧が VOVRTH スレッショルドの代表値である 116％を超える 21 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B PGOOD モニタ PGOOD ピンはコンバータがレギュレート電圧を供給できる 状態にあることを示しています。VCC ピン電圧が POR 立ち 上がりスレッショルド VVCC_THR に達しない場合、あるい は、VCC ピ ン 電 圧 が POR 立 ち 下 が り ス レ ッ ショルド VVCC_THF を下回った場合、PGOOD ピンは不確定状態にな ります。出力過電流フォルト、出力過電圧フォルト、または 出力アンダーボルテージ・フォルトが発生すると、PGOOD は Low にアサートされます。PGOOD のプルダウン時のイン ピーダンスは 50Ω です。 UGATE 1V 1V 1V 1V 内蔵ゲートドライバ LGATE ピンと UGATE ピンは MOSFET のゲートドライバ出 力です。LGATEピンでコンバータ回路のローサイドMOSFET をドライブし、UGATE ピンでコンバータ回路のハイサイド MOSFET をドライブします。 LGATE ドライバはローサイド MOSFET の導通時間が長い低 デューティサイクルのアプリケーションに最適化されてい ます。低デューティサイクルのような条件では超低 rDS(ON) のローサイド MOSFET が必要ですが、オン抵抗が小さいと 寄生容量が大きくなるため、PHASE ノードに現れる高 dv/dt のスイッチングによって大きな過渡電流が発生します。特に ドレインとゲート間の電荷によって、デバイスの VGS(th) を 上回り MOSFET をターンオンさせてしまうほどの大きな電 流がドライバのプルダウン抵抗成分に流れます。このような 理由から、LGATE ドライバの設計では、プルダウン抵抗成分 を低く抑えるとともに、MOSFET ゲート電圧が VGS(th) を超 えないように流せるシンク電流の大きさを充分に確保して います。 アダプティブ貫通電流保護 一方のゲートドライバ出力がおよそ 1V に低下するまで他方 のゲートドライバ出力のターンオンを防止するアダプティ ブ貫通保護機能を搭載しています。図 18 にデッドタイムの 様子を示しますが、ゲート電圧の立ち下がりが 1V スレッ ショルドよりも高い状態に維持されていると、デッドタイム は長くなります。ハイサイド・ゲートドライバ出力電圧は UGATE ピンと PHASE ピンの両端で測定し、ローサイド・ ゲートドライバ出力電圧は LGATE ピンと PGND ピンの両端 で測定しています。LGATE ドライバの電源は PVCC ピンか ら直接与えられます。UGATE ドライバの電源は BOOT ピン と PHASE ピン間に接続されるブートストラップ・コンデン サから与えられます。ローサイド MOSFET がターンオンし たときなど、PVCC 電圧からダイオード電圧降下を引いた電 圧よりも PHASE ノード電圧が低くなると、コンデンサはそ の都度充電されます。 LGATE 図 18. ゲートドライブのアダプティブ貫通電流保護 汎用アプリケーションの設計ガイド ライン 以下のセクションでシングルフェーズの降圧コンバータの 設計に必要なステップの概要を説明します。読者は以下で言 及する基本的な技術や技法を理解していることを前提とし ています。インターシルでは、この設計ガイドラインのほか に、回路図、部品リスト (BOM)、サンプル基板レイアウトな どで構成されるリファレンスデザインを提供しています。 LC 出力フィルタの選択 理想的な降圧コンバータのデューティサイクルは、入力電圧 と出力電圧の関数として表されます。この関係を式 36 に示 します。 D VO --------V IN （式 36） 出力インダクタのリップル電流のピークツーピーク値は 式 37 で表されます。 I P-P VO ⋅ ( 1 D ) -----------------------------F SW ⋅ L （式 37） 典型的な DC/DC 降圧コンバータの IP-P は、最大 DC 出力負 荷電流の 20％～ 40％です。IP-P の値は、MOSFET のスイッ チング損失、インダクタの鉄損、銅損など、さまざまな要素 に応じて設定します。インダクタの DC 銅損は式 38 で見積 もれます。 P COPPER 2 I LOAD ⋅ DCR （式 38） ILOAD はコンバータの出力 DC 電流です。 銅損はきわめて大きくなることがあるため、インダクタの DCR には充分な注意が必要です。また、インダクタの選択 では高温時の飽和特性にも考慮しなければなりません。飽和 したインダクタは回路素子を破壊する場合があるほか、不要 な OCP フォルトを引き起こす場合があります。 22 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B ΔV ESR ΔV C （式 39） I P-P ⋅ E SR I P-P -------------------------------8 ⋅ CO ⋅ F （式 40） SW コンバータ出力の変動が大きい場合、所望の VP-P が得られ るまで、複数のコンデンサを並列に接続して総 ESR を下げ る必要があります。コンデンサのインダクタンス成分は出力 電圧リップルに大きな影響を及ぼす可能性があり、負荷変動 のスルーレートがきわめて大きいときに瞬間的な電圧スパ イクが生じます。また、コンデンサは RMS 電流と周波数の 関数として熱を発します。コンデンサの RMS 電流がスイッ チング周波数 FSW で最大定格以下となるように、並列接続 したコンデンサ間でIP-P が適切に分担されるように注意して ください。また、コンデンサ両端に印加される電圧が高くな るにつれて、定格容量が最大で 50％も低下することも考慮 してください。 入力コンデンサの選択 降圧コンバータにおける入力コンデンサの重要なパラメー タは電圧定格と RMS 電流定格です。動作の信頼性を高める ために、最高入力電圧よりも高い電圧定格と、スイッチング 回路によって要求される RMS 電流を供給できる電流定格の 両方を満たすバルク・コンデンサを選択してください。電圧 定格は最高入力電圧の 1.25 倍以上が必要で、推奨は 1.5 倍で す。図 19 に、出力負荷電流に対して正規化した入力 RMS リップル電流を、コンバータ効率に対して調整したデュー ティサイクルの関数として示します。リップル電流の計算式 は式 41 で表されます。 I IN_RMS 2 2 D 2 2 ( I MAX ⋅ ( D D ) ) x ⋅ I MAX ⋅ ------ 12 -------------------------------------------------------------------------------------------------------I MAX （式 41） - IMAX はコンバータの最大連続 ILOAD - x は、IMAX のパーセント値 (0％～ 100％) として表さ れるインダクタのピークツーピーク・リップル振幅に 対応した係数 (0 ～ 1) バルク・コンデンサのほかに、ハイサイド MOSFET のドレ インとローサイド MOSFET のソース間のデカップリングの ために、低 ESL セラミック・コンデンサを接続してください。 0.6 0.5 NORMALIZED INPUT RMS RIPPLE CURRENT DC/DC 降圧レギュレータには、リップル電流 IP-P を流せる だけの出力コンデンサ CO が必要です。電流 IP-P によって CO の両端にリップル電圧 VP-P が発生します。この電圧は、 コンデンサ ESR 両端の電圧降下と、コンデンサに出入りす る電荷によって発生する電圧変化との和です。これら 2 つの 電圧は式 39 と式 40 で表されます。 x=0 0.4 x = 0.5 0.3 0.2 x=1 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 DUTY CYCLE 図 19. 正規化した入力 RMS リップル電流、EFF=1 ブートストラップ・コンデンサの選択 ドライバ回路にはブートストラップ・ショットキー・ダイ オードが内蔵されています。BOOT ピンと PHASE ピンの間 に外付けコンデンサを接続するだけでブートストラップ回 路が完成します。ブートストラップ・コンデンサの電圧定格 は 10V 以上を選択します。コンデンサに印加される計算上 の最高電圧は PVCC-VDIODE ( ブートダイオード両端の電圧 降下 ) ですが、PHASE ノードにはグラウンドを下回る大き な電圧が生じるため、ブートストラップ・コンデンサの電圧 定格は 10V 以上が必要です。ブートストラップ・コンデン サの容量は式 43 で求めます。 Q GATE C BOOT ≥ -----------------------ΔV BOOT （式 43） - QGATE はハイサイド MOSFET のゲートを完全に充電 するのに必要なゲート電荷量 - ΔVBOOT は BOOT コンデンサ両端の最大電圧低下 例として、VGS = 5V におけるハイサイド MOSFET の総ゲー ト容量 Qg は 25nC、ΔVBOOT は 200mV と仮定します。算出 されるブートストラップ・コンデンサ容量は 0.125μF です。 適切なマージンを得るために、計算値の 2 倍の容量のコンデ ンサを選択します。この例では 0.22μF が適切でしょう。温 度係数の小さいセラミック・コンデンサを使用してくださ い。 - D はコンバータの効率を加味したデューティサイクル デューティサイクルは式 42 で示されます。 D VO ------------------------V IN ⋅ EFF （式 42） 23 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B ドライバの電力損失 ドライバでのスイッチング電力損失は、主に、スイッチング 周波数と選択した MOSFET の総ゲート電荷との関数で表され ます。アプリケーションで確実な安全動作を得るには、ドラ イバの電力損失の計算が欠かせません。電力損失が許容可能 なレベルを上回ると、IC のジャンクション温度は推奨動作範 囲の最高値を超えてしまう可能性があります。アプリケー ションを設計するときは、選択した MOSFET を対象に、所望 の周波数で安全動作が確保されるように、次の計算を行って ください。ドライバが消費する電力は式 44 で概算できます。 F sw ( 1.5V U Q P U VL Q ) L PL ローサイド MOSFET (LS) の電力損失は導通性のみと仮定で き、その値は式 45 で表されます。 2 P CON_LS ≈ I LOAD ⋅ r DS ( ON )_LS ⋅ ( 1 ハイサイド MOSFET (HS) の導通損失は式 46 で表されます。 P CON_HS 2 ハイサイド MOSFET のスイッチング損失は式 47 で表され ます。 P SW_HS - VL は下側ゲートドライバのバイアス電圧 - QU は上側ゲートドライバによって MOSFET ゲートと ディスクリート・コンデンサに供給される電荷 - QL は下側ゲートドライバによって MOSFET ゲートと ディスクリート・コンデンサに供給される電荷 V IN ⋅ I VALLEY ⋅ t ON ⋅ F SW --------------------------------------------------------------------2 QU =50nC QL=50nC 800 POWER (mW) 700 600 QU =20nC QL=50nC 500 400 300 200 100 0 0 200 400 600 800 1k 1.2k 1.4k 1.6k 1.8k 2k FREQUENCY (Hz) 図 20. 電力損失と周波数の関係 MOSFET の選択と検討すべき事項 それぞれの MOSFET は、MOSFET の導通に必要な電流、ス イッチング周波数、放熱性能、入手性、システムの放熱手段 やエアフローなどを考慮しながら選択します。 一般に MOSFET は、瞬間的な電圧であっても、ドレイン・ ソース間の最大電圧定格以上には耐性がありません。コン バータのパワーステージに使用する MOSFET には、入力電 源の上側電圧余裕と MOSFET のスイッチング時に生じる電 圧スパイクの和を上回る VDS 定格が少なくとも必要です。 市場には DC/DC コンバータに最適化なパワーMOSFET が数 多く流通しています。ハイサイド MOSFET には、線形領域 で電力消費する時間ができるだけ短くなるように、ゲート電 荷の小ささを訴求した品種が適します。ローサイド MOSFET には、導通損失を抑えるために、完全飽和時の rDS(on) が低 いことを訴求した品種が適します。 24 - IVALLEY は、インダクタ電流の DC 成分と、インダク タ・リップル電流の 1/2 との差 - IPEAK は、インダクタ電流の DC 成分と、インダクタ・ リップル電流の 1/2 との和 - tON は MOSFET 素子の飽和に必要な時間 基板レイアウトの注意事項 - PU は上側ドライバの自己消費電力 QU =50nC QL =100nC V IN ⋅ I PEAK ⋅ t OFF ⋅ F SW ----------------------------------------------------------------2 （式 47） - tOFF は MOSFET 素子のカットオフに必要な時間 - PL は下側ドライバの自己消費電力 900 （式 46） I LOAD ⋅ r DS ( ON )_HS ⋅ D - VU は上側ゲートドライバのバイアス電圧 QU =100nC QL =200nC （式 45） （式 44） PU - FSW は PWM 信号のスイッチング周波数 1000 D) 一般的なルールとして、電源層は基板の表面層側または裏面 層側のいずれにまとめて配置し、微弱な信号が流れるアナ ログ信号またはロジック信号は反対側の層に配置します。 グ ラウンド層はシールド効果を与えるために信号パターンの 次の層に配置します。グラウンド層には、IC 下面のうちア ナログ信号またはロジック信号に接続されている部分をカ バーするように、単一のアイランドを設けてください。アイ ランドはノイズのない一点でグラウンド層に接続してくだ さい。 DC/DC コンバータは、外付けパワー部品と小信号部品の 2 種 類の部品で構成されます。大きなエネルギーをスイッチング する外付けパワー部品はきわめて重大な役割を担います。小 信号部品はノイズに敏感なノードまたは電源に接続され、電 流や信号カップリングのバイパスが不可欠です。 レイアウト設計では、最初に、MOSFET、入力コンデンサ、 出力コンデンサ、出力インダクタなどの外付けパワー部品を 配置します。ゲートドライブ信号のトレース長が短くなるよ うに、外付けパワー部品類と制御 IC 間は近接させてくださ い。LGATE、UGATE、PGND、PHASE、BOOT がこのドラ イブ信号に該当します。 MOSFET を配置する際は、ハイサイド MOSFET のソースと ローサイド MOSFET のドレインを熱的にできるだけ近づけ てください。図 21 を参照してください。入力の高周波コン デンサはハイサイド MOSFET のドレインとローサイド MOSFET のソースの近くに配置してください。出力インダク タと出力コンデンサは MOSFET と負荷の間に配置してくだ さい。出力の高周波デカップリング・コンデンサ ( セラミッ ク ) は、内層の最短パスを使いながら、デカップリングする 対象のできるだけ近くに配置してください。IC の下部にゲー ト信号や PHASE ノード信号などの dV/dt と di/dt が大きい信 号が通らないように部品を配置してください。 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B VIAS TO GROUND PLANE OCSET ピンと VO ピン GND VOUT INDUCTOR PHASE NODE HIGH-SIDE MOSFETS OUTPUT CAPACITORS SCHOTTKY DIODE LOW-SIDE MOSFETS INPUT CAPACITORS VIN 図 21. パワー部品の配置例 ROCSET、RO、CSEN で構成される電流センス・ネットワー クは、DCR による電圧降下を正確に測定するために、イン ダクタのパッドに接続しなければなりません。ただし、これ らの部品は、インダクタへと戻るトレースを介して、OCSET ピンと VO ピンの物理的に近い位置に配置してください。イ ンダクタ・パッドに至るこのトレースのすべてはグラウンド 層によってシールドしてください。抵抗性電流センスを採用 した場合でも以上の手順は同じです。 FB、SREF、SET0、SET1、SET2、RTN 各ピン これらピンの入力インピーダンスは高いため、これらピンに 接続する部品は、IC のできるだけ近くに配置してください。 VCC ピンと PVCC ピン デカップリング・コンデンサを IC のできるだけ近くに配置 してください。特に PVCC ピンのデカップリング・コンデン サは、PGND ピンに対して、幅広の短いトレースで接続して ください。VCC ピンのデカップリング・コンデンサは GND ピンに接続してください。 EN、PGOOD、VID0、VID1、FSEL 各ピン これらは GND ピンを基準とするロジック信号です。一般的 なロジック信号と同様に取り扱ってください。 25 LGATE、PGND、UGATE、BOOT、PHASE 各ピン これらのトレースを通過する信号は、ピークの大きな充電電 流と放電電流など、いずれも dv/dt と di/dt が大きい性質があ ります。PGND ピンは、LAGE が Low のとき、ローサイド MOSFET のゲート・ソース電荷からのみ電流が流れます。理 想的には、LGATE ピンからのトレースと PGND ピンからの トレースを並行にルーティングし、UGATE ピンからのト レースと PHASE ピンからのトレースを並行にルーティング します。インダクタ電流のゼロクロス検出をより高精度に行 うには、PHASE ピンをローサイド MOSFET のドレインにケ ルビン接続してください。これらペアには幅広の短いトレー スを用いるとともに、入力インピーダンスの高い他のトレー スからは離してください。微弱信号のトレースはいかなる層 でもこれらのトレースに近接させてはなりません。 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B 改訂履歴 この改訂履歴は参考情報として掲載するものであり、正確を期すように努めていますが、内容を保証するものではありませ ん。最新のデータシートについてはインターシルのウェブサイトをご覧ください。 日付 レビジョン 2009/12/22 FN6899.0 変更点 初版 製品 インターシルは、高性能アナログ、ミクストシグナルおよびパワーマネジメント半導体の設計、製造で世界をリードする企 業です。インターシルの製品は、産業用機器、インフラ、パーソナル・コンピューティング、ハイエンド・コンシューマの 分野で特に急速な成長を遂げている市場向けに開発されています。製品ファミリの詳細は、www.intersil.com/product_tree/ を ご覧ください。 *ISL95870/ISL95870A/ISL95870B に関するアプリケーション情報、関連ドキュメント、関連部品は、www.intersil.com 内の ISL95870/ISL95870A/ISL95870B のページを参照してください。 本データシートに関するご意見は www.intersil.com/askourstaff へお寄せください。 信頼性に関するデータは rel.intersil.com/reports/search.php を参照してください。 そのほかの製品については www.intersil.com/product_tree/ を参照してください。 インターシルは、www.intersil.com/design/quality/ に記載の品質保証のとおり、 ISO9000 品質システムに基づいて、製品の製造、組み立て、試験を行っています。 インターシルは、製品を販売するにあたって、製品情報のみを提供します。インターシルは、いかなる時点においても、予告なしに、回路設計、ソフ トウェア、仕様を変更する権利を有します。製品を購入されるお客様は、必ず、データシートが最新であることをご確認くださいますようお願いいた します。インターシルは正確かつ信頼に足る情報を提供できるよう努めていますが、その使用に関して、インターシルおよび関連子会社は責を負いま せん。また、その使用に関して、第三者が所有する特許または他の知的所有権の非侵害を保証するものではありません。インターシルおよび関連子会 社が所有する特許の使用権を暗黙的または他の方法によって与えるものではありません。 インターシルの会社概要については www.intersil.com をご覧ください。 26 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B Ultra Thin Quad Flat No-Lead Plastic Package (UTQFN) D L16.2.6x1.8A B 16 LEAD ULTRA THIN QUAD FLAT NO-LEAD PLASTIC PACKAGE 6 INDEX AREA 2X A N MILLIMETERS E SYMBOL 0.10 C 2X 0.10 C 上面図 0.05 C - A1 - - 0.05 - 0.127 REF b 0.15 0.20 0.25 5 2.55 2.60 2.65 - E 1.75 1.80 1.85 - NX L - - - L 0.35 0.40 0.45 - L1 0.45 0.50 0.55 (DATUM A) - N 16 2 Nd 4 3 Ne NX b 5 16X 0.10 M C A B 0.05 M C (DATUM B) - 0.15 e L1 0.40 BSC K 側面図 K - D e 1 2 NOTES 0.55 A1 PIN #1 ID MAX 0.50 C A NOMINAL 0.45 A3 0.10 C SEATING PLANE MIN A 1 2 θ 4 0 - 3 12 4 Rev.5、2009/2 備考： 1. 寸法と公差は ASME Y14.5m-1994 にしたがっています。 底面図 2. N は端子数です。 3. Nd と Ne はそれぞれ D 側と E 側の端子数です。 4. 寸法の単位は mm です。角度の単位は度です。 CL 5. 寸法 b は金属端子に適用され、端子先端から 0.15mm ～ 0.30mm の範囲で計測した値です。 (A1) NX (b) L 5 e SECTION "C-C" TERMINAL TIP C C 6. 1 ピンの識別子はオプションですが、表示されているゾーン内 に配置されます。1 ピンの識別子はモールドまたはマーキング で示されます。 7. パッケージの最大反りは 0.05mm です。 8. 許容されるバリ寸法は各方向とも 0.076mm です。 9. JEDEC 参照寸法図：MO-255 10. プリント基板のランドパターン設計に際してはインターシルの テクニカル・ブリーフ「Land Pattern Design Surface Mount Guidelines Packages (TB389)」を参照してください。 3.00 1.80 1.40 1.40 2.20 0.90 0.40 0.20 0.50 0.20 0.40 10 ランドパターン 27 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B パッケージ寸法図 L20.3.2x1.8 20 LEAD ULTRA THIN QUAD FLAT NO-LEAD PLASTIC PACKAGE (UTQFN) Rev 0、2008/5 1.80 A 6 PIN #1 ID 16X 0.40 B 1 20 6 PIN 1 ID# 19 2 3.20 0.50±0.10 (4X) 0.10 9 12 断面 A-A 上面図 10 11 0.10 M C A B 0.05 M C 4 20X 0.20 19X 0.40 ± 0.10 底面図 ( 1.0 ) (1 x 0.70) SEE DETAIL "X" 0.10 C MAX 0.55 C BASE PLANE ( 2. 30 ) SEATING PLANE 0.05 C 側面図 ( 16 X 0 . 40 ) 0 . 2 REF C 5 ( 20X 0 . 20 ) 0 . 00 MIN. 0 . 05 MAX. ( 19X 0 . 60 ) "X" の詳細 推奨ランドパターンの例 備考： 1. 寸法の単位は mm です。 ( ) 内の寸法は参考値です。 2. 寸法と公差は ASME Y14.5m-1994 にしたがっています。 3. 特記のない限り、公差は DECIMAL ± 0.05 です 4. 寸法 b は金属端子に適用され、端子先端から 0.15mm ～ 0.30mm の範囲で計測した値です。 5. タイバー ( 示されている場合 ) は非機能性です。 6. 1 ピンの識別子はオプションですが、表示されているゾーン内に 配置されます。1 ピンの識別子はモールドまたはマーキングで示 されます。 28 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日 ISL95870, ISL95870A, ISL95870B パッケージ寸法図 L20.3x4 20 LEAD QUAD FLAT NO-LEAD PLASTIC PACKAGE Rev 0、2007/6 3.00 0.10 M C A B 0.05 M C A B 4 20X 0.25 16X 0.50 +0.05 -0.07 17 A PIN 1 INDEX AREA (C 0.40) 20 16 1 PIN 1 INDEX AREA 4.00 2.65 11 +0.10 -0.15 6 0.15 (4X) A 10 7 断面 A-A 1.65 上面図 +0.10 -0.15 20x 0.40±0.10 底面図 SEE DETAIL "X" 0.10 C 0.9± 0.10 C SEATING PLANE 0.08 C 側面図 (16 x 0.50) (2.65) (3.80) (20 x 0.25) 0.2 REF C (20 x 0.60) 5 0.00 MIN. 0.05 MAX. (1.65) (2.80) "X" の詳細 推奨ランドパターンの例 備考： 1. 寸法の単位は mm です。 ( ) 内の寸法は参考値です。 2. 寸法と公差は ASME Y14.5m-1994 にしたがっています。 3. 特記のない限り、公差は DECIMAL ± 0.05 です 4. 寸法 b は金属端子に適用され、端子先端から 0.15mm ～ 0.30mm の範囲で計測した値です。 5. タイバー ( 示されている場合 ) は非機能性です。 6. 1 ピンの識別子はオプションですが、表示されているゾーン内に 配置されます。1 ピンの識別子はモールドまたはマーキングで示 されます。 29 FN6899.0 2009 年 12 月 22 日