富士時報 Vol.71 No.8 1998 3 チャネル DC---DC コンバータ用 IC 山田谷 政幸（やまだや まさゆき） まえがき DC-DC コンバータの小形化，薄形化が実現できる。 表１に FA3629V の定格を示す。 ノート形パーソナルコンピュータ（パソコン）を代表と した携帯形の電子機器の普及に伴い，これらの製品は持ち 内部回路 運びやすさと搭載されるバッテリーの長寿命化が従来にも まして重要なポイントとなってきている。 そのため電源として用いられる DC-DC コンバータも小 形化，軽量化，高効率化が必要不可欠になっている。 図１のチップ写真に示される FA3629V の回路構成は図 ２のとおりである。基本回路ブロックは CMOS（Comple- mentary MOS）を， 内 蔵 MOSFET などの 高 電 圧 部 は またこれら携帯形電子機器は近年，低動作電圧化が著し DMOS（Double Diffused MOS）を用いている。 く， DC-DC コンバータを 制御 する 低電圧対応 の IC が 必 ここでは主な回路ブロックについて説明する。 要とされてきている。 そこで富士電機では，このような市場要求にこたえ，な ３.１ 内蔵 MOSFET かでもノート形パソコンなどに用いられる液晶ディスプレ この IC は第 1 チャネルにスイッチング素子である n チャ イ用電源を主用途とした，小形・軽量・薄形の 3 チャネル ネル MOSFET を内蔵しており，昇圧回路を構成できる。 DC-DC コンバータ用 IC「FA3629V」を開発したので，こ オン抵抗は最大 0.3 Ωで最大 1.8 A の電流の駆動が可能で こにその概要を紹介する。 ある。そのため DC-DC コンバータを構成する際，外付け スイッチング素子を削減することができ，また大きな出力 製品の概要 表１ FA3629Vの定格 今回開発 した DC-DC コンバータ 用 IC FA3629V は３ 項 目 チャネルの PWM（Pulse Width Modulation）方式スイッ 電源電圧範囲（V） チング電源を駆動，制御するもので，以下の特長を持つ。 OUT1印加電圧（V） 条 件 最 小 標 準 2.5 最 大 6.5 40 （1） TSSOP 16 ピンパッケージを採用 基準電圧（V） （2 ） 昇圧回路× 2，極性反転回路× 1 の計 3 チャネルが同 三角波発振周波数（kHz） 480 550 620 CS充電ソース電流（ A） −1.2 −1.0 −0.8 0.8 1.0 1.2 時に駆動可能 （3） スイッチング 素子 として， n チャネルの MOSFET （ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor） を 1 個内蔵 （4 ） 動作電圧範囲： 2.5 ∼ 6.5 V （5） 発振周波数： 100 kHz ∼ 1 MHz 0.98 CS3充電シンク電流（ A） 1.00 1.02 過電流検知電流（A） 1.6 2.0 2.2 過熱保護動作温度（℃） 125 135 145 低電圧誤動作防止動作 電圧（V） 1.95 2.05 2.15 0.275 0.3 （6 ） 全チャネルに最大デューティ制限内蔵 OUT1オン抵抗（Ω） I OUT1＝200mA （7） タイマ・ラッチ方式出力短絡保護回路を内蔵 OUT2，3Hレベルオン 抵抗（Ω） I OUT ＝150mA 2.6 4.0 5.5 OUT2，3Lレベルオン 抵抗（Ω） I OUT ＝−150mA 2.0 3.5 5.0 平均消費電流（mA） f OSC ＝500kHz 3.0 3.8 （8） ソフトスタート 回路 ， 過電流制限回路 ， 過熱保護回 路，低電圧誤動作防止回路を内蔵 FA3629V は16ピンに 3 チャネルおよび各種保護機能を 組み込んでおり，さらに MOSFET を内蔵しているため， 山田谷 政幸 電源用 IC の開発に従事。現在， 松本工場半導体開発センター IC 開発部。 434（10） 〈注〉特に条件のない限り，電源電圧3.0V，常温（25℃）における定格 富士時報 3 チャネル DC--DC コンバータ用 IC Vol.71 No.8 1998 も得られる。 MOSFET のドレーンが OUT1 端子 ，ソースが PGND ３.３ 基本動作部（誤差増幅器，PWM コンパレータ） 端子になっている。OUT1 端子耐圧は40 V である。 PWM 方式スイッチング電源であるため，基本構成は各 チャネルにより駆動された出力電圧を誤差増幅器に帰還し， その出力を PWM コンパレータにてパルス信号に変換，こ ３.２ 駆動段出力（OUT2，OUT3 端子） れをスイッチング素子の駆動信号としている。 第 2 チャネル（ OUT2）は n チャネル MOSFET， 第 ３ チャネル（OUT3）は p チャネル MOSFET を駆動する端 全 チャネルとも 誤差増幅器 の 反転入力端子 （ IN1−， 子でプッシュプル構造になっている。それぞれ昇圧回路お IN2−，IN3−）および出力端子（FB1，FB2，FB3）を備 よび極性反転回路を構成することができる。 えている。 このほか，スイッチング素子としてバイポーラトランジ 第 1，第 2 チャネルは昇圧回路，第 3 チャネルは極性反 スタの駆動も可能である。 転回路が構成でき，この組合せは液晶ディスプレイの電源 として最適である。 なお，第 3 チャネルは他チャネルに対して逆相スイッチ ングを採用している。これにより 3 チャネル同時駆動時の 図１ FA3629V のチップ写真 電源負荷の集中を回避できる。 ３.４ 三角波発振器 この IC は三角波発振器の発振周波数を基本周波数とし ている。温度補償された内蔵電流源から，CT 端子に接続 されたタイミングコンデンサへの充放電を行うことで動作 し， 容量 により 100 kHz から 1 MHz まで 発振 することが できる。周波数は 150 pF にて 550 kHz である。 ３.５ ソフトスタート回路 DC-DC コンバータ起動時に電源回路の貫通電流を防ぐ 図２ FA3629V の回路構成 （15）CS3 （16）CS （11）VCC クロック 基準電源 三角波 発振器 （13）REG 2.20V 内部制御系 の電源へ (216回) FB１ CS FB2 CS FB3 CS3 タ イ マ ・ ラ ッ チ 最大デューティ 制限 低電圧 誤動作防止 ソフトスタート・ デューティ制限 （14）CT sftst3 REF 1.00V （4）GND 誤差増幅器 ＋ （2）IN1− ＜第1チャネル＞昇圧 過熱保護 sftst (12) OUT1 VCC PWM コンパレータ ＋ − 過電流 保護 nチャネル 駆動段 − （1）FB1 VCC ＋ （3）IN2− ＜第2チャネル＞昇圧 ＋ − 内蔵NMOS nチャネル 駆動段 (10) OUT2 − （6）FB2 VCC ＋ ＋ （7）IN3− ＜第3チャネル＞極性反転 pチャネル 駆動段 (9) OUT3 − − （8）FB3 (5) PGND 435（11） 富士時報 3 チャネル DC--DC コンバータ用 IC Vol.71 No.8 1998 ためにソフトスタート回路を内蔵している。 機能である。 ソフトスタート 用 コンデンサ（ CS， CS3 端子 に 接続 ） スイッチングごとに内蔵 MOSFET のオン電圧から過電 への充電電圧に比例した幅のパルス信号により，起動時の 流状態を検出し，過電流状態時はオフする機能で，検出点 スイッチング幅を徐々に広げることで，起動時の貫通電流 は 電源電圧 3.0 V の 場合 ， 2.0 A である。この 機能 ではス イッチングは停止しないが，過電流状態が長い時間継続さ を制限する。 CS 端子は第 1，第 2 チャネル共用，CS3 端子は第 3 チャ れた場合は，タイマ・ラッチ回路（後述）により停止され ネル用で，それぞれ単独で制御できる。 る。 ３.６ 最大デューティ制限 ３.９ 過熱保護回路 昇圧回路ならびに極性反転回路ではスイッチングがオン この IC は MOSFET を内蔵し，また外付けスイッチン 状態のままになると大電流が流れ，回路の破壊に至る場合 グ素子の駆動段を備えているため，大電流が流れると発熱 がある。それを防ぐためにスイッチングの周期ごとに強制 する場合がある。この発熱を検出して IC の動作を停止さ 的にオフ期間を設ける，すなわちオン期間の最大デューティ せるのが過熱保護回路である。 制限を行っている。 検出にはダイオードのオン電圧の温度変化を用い，チッ 各チャネルとも発振周波数 500 kHz にて86∼87％の最大 デューティ制限を行っている。内蔵機能のため特に外付け プ温度が 135 ℃にてスイッチングを停止させ，温度低下に より 85 ℃にて停止状態を解除させる。 部品は必要ない。 ３.１０ タイマ・ラッチ回路 出力短絡などが原因で，電源回路の出力電圧が規定値に ３.７ 低電圧誤動作防止回路 IC の 電源投入時 ， 内部制御系電源 が 確立 するまでの 間 スイッチングを停止させ，不正な動作を回避している。 達しない異常状態が続いた場合，これを検知してスイッチ ングを停止させる機能である。 また，この回路の動作中はソフトスタート用コンデンサ この異常を検知し，スイッチングを停止させるまでの時 は放電され，動作復帰時はソフトスタートにより起動する 間（以下，タイマ・ラッチ時間）は一般に外付けコンデン ことができる。 サの充電時間を用いることが多いが，この IC では端子数 および外付け部品削減のため，内部にてカウンタを用いて 時間を定める方式を新たに採用した。 ３.８ 過電流制限回路 何 らかの 原因 で 内蔵 MOSFET の 電流 が 増加 した 際 ， カウンタのクロックは三角波発振器からの周波数を利用 素子や回路の破壊を防ぐため，スイッチングの幅を狭める し，2 16 回カウントしたところでラッチモードに入り，ス 図３ スイッチング動作の概略 FB1 2 電 圧 CS3 FB2 1 CS FB3 0 時 間 （タイマ・ラッチ カウント中） A B C D E A ：CSタイマ・ラッチ起動 C ：FB2タイマ・ラッチ解除 B ：CS3タイマ・ラッチ起動 D ：FB1タイマ・ラッチ解除 E ：FB3タイマ・ラッチ解除 第1チャネル MOSFETゲート波形 第2チャネル 駆動段出力波形 (OUT2) 第3チャネル 駆動段出力波形 (OUT3) 436（12） 富士時報 3 チャネル DC--DC コンバータ用 IC Vol.71 No.8 1998 図４ FA3629V の応用回路例 入力3.0∼4.5V FA3629V 第1チャネル：5V/200mA FB1 CS IN1− CS3 IN2− CT GND REG 第2チャネル：20V/10mA PGND OUT1 FB2 VCC IN3− OUT2 FB3 OUT3 第3チャネル： −20V/10mA イッチング停止信号を送出する。 異常状態の検出には各チャネルの誤差増幅器の出力電圧 を利用している。この出力電圧は電源回路の出力電圧が不 ここでは第 1，第 2 チャネルで昇圧回路，第 3 チャネル で極性反転回路を構成しており，一般的な液晶ディスプレ イの電源仕様に適している。 足の場合，FB1 および FB2 は電源側へ，FB3 は接地側へ n チャネル MOSFET を 内蔵 し，カウンタ 方式 のタイ 振り切れて，スイッチングのオン幅を最大にするためであ マ・ラッチ回路を採用しているため，部品点数と実装面積 る。 の削減を図ることができる。 図３にスイッチング動作の概略を示す。 なお起動時や未使用チャネルがある場合は，誤差増幅器 あとがき の出力電圧は異常時と同じ状態にある。そこでソフトスター ト端子（CS，CS3）の端子電圧を検出することで電圧をタ イマ・ラッチ回路へ入力することにしている。 小形・軽量・薄形を特徴とした 3 チャネル DC-DC コン バータ用 IC FA3629V の概要を紹介した。 現在，富士電機では CMOS アナログ技術により電源用 応用回路例 IC の 開発 を 進 めており，なかでもさまざまな 要求 が 多 い DC-DC コンバータ 制御用 IC は 市場 のニーズを 見極 めな FA3629V を用いた応用回路の一例を図４に示す。 がら今後さらなる展開を図っていく所存である。 437（13） ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。