富士時報 Vol.80 No.6 2007 特 集 多機能低待機電力 PWM 電源 IC「FA5553/5547 シリーズ」 藤井 優孝（ふじい まさなり） 丸山 宏志（まるやま ひろし） 朴 虎崗（ぼく まえがき ここう） 系列化しており，今回開発した IC の系列一覧を表１に示 す。本 IC は図 1 に示すスイッチング電源の概念図におい 近年，地球環境の温暖化が世界的な問題として取り上げ て一次側にある PWM IC として使用する。 られ，電気製品全般での省エネルギーが重要となっている。 特に常時コンセントに接続されることの多いテレビ，オー . 特 徴 ディオ製品，ノートパソコンやプリンタなどの周辺機器で 表１に示すように各機種とも従来機種である「FA5528」 は実使用時間以外の待機状態の時間が長く，この待機時消 と同様に待機時消費電力低減のため 500 V 耐圧の起動素子 費電力を削減することが必須機能となり，電源に対しても 年々待機時消費電力の削減要求が強まっている。 図 スイッチング電源の概念図 この要求に対して富士電機では，今までも商用交流電 源（100 V，240 V）を直流電源に変換するスイッチング電 源用の制御 IC を系列化している。今回，さらに低待機電 一次側 二次側 二次側 出力電圧 / 電流 AC 電源 力性能を強化したのに加え，各種製品に最適な保護機能 ＋ C1 を付加した 8 ピンのカレントモード PWM（Pulse Width 半波 ＋ 主巻線 Modulation）電源 IC「FA5553/5547 シリーズ」を開発し RVH たのでその概要を紹介する。 PWM IC 補助巻線 VH LAT 製品の概要 FB （NC） IS VCC GND OUT MOS ＋ C2 ゲート 信号 R 富 士 電 機 で は 30 V 耐 圧 の CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）プロセスを使用した外付け S パワー MOSFET を駆動するタイプの AC-DC 電源 IC を 表 低待機電力用PWM ICシリーズの特性一覧 保護機能 シリーズ 型 式 パッ ケージ 電源 構成 入力 範囲 動作 周波数 過負荷 FA5528 FA5528 SOP/ DIP8 フライ バック 10∼ 26 V 60 kHz タイマラッチ FA5553 FA5553 FA5554 FA5566 60 kHz SOP/ DIP8 フライ バック 10∼ 26 V 100 kHz FA5546 FA5547 過電圧 ブラウン アウト 起動 回路 待機時最低 動作周波数 過負荷ライ ン補正損失 ラッチ ○ × ○ 1.1 kHz ＜70 mW ラッチ ○ × ○ 0.35 kHz ＜5 mW ラッチ ○ ○ ○ 0.5 kHz ＜5 mW 自動復帰 タイマラッチ 自動復帰 タイマラッチ FA5567 FA5547 低待機電力機能 外部ラッチ （過熱） SOP/ DIP8 フライ バック 10∼ 26 V 60 kHz 自動復帰 タイマラッチ ：新製品 436（ 58 ） 藤井 優孝 丸山 宏志 朴 虎崗 スイッチング電源制御 IC の開発 スイッチング電源制御 IC の開発 スイッチング電源制御 IC の開発 に従事。現在，富士電機デバイス に従事。現在，富士電機デバイス に従事。現在，富士電機デバイス テクノロジー株式会社半導体事業 テクノロジー株式会社半導体事業 テクノロジー株式会社半導体事業 本部情報・電源事業部技術部。 本部情報・電源事業部技術部。 本部情報・電源事業部技術部。 多機能低待機電力 PWM 電源 IC「FA5553/5547 シリーズ」 富士時報 Vol.80 No.6 2007 から成る起動回路を有し，待機時には負荷に応じて動作周 法を示す。電源投入時には起動回路から VCC 端子に供給 される電流により VCC 端子に接続されたコンデンサ C2 て最低周波数を下げ，さらに，過負荷ライン補正での損失 は充電され，VCC 電圧が上昇し，IC が起動して電源は動 低減を行うことによってさらなる待機時の低消費電力化を 作を開始する。VH 端子から VCC 端子に供給される電流 実現した。一方，保護機能では FA5547 シリーズで低 AC は VCC 端子電圧が 0 V の状態で最も多く，VCC 端子電圧 入力電圧保護（ブラウンアウト）機能を追加した。本機能 の上昇とともに供給電流は減少する。また，VH 端子には は上述の起動回路で使用の端子と兼用することでパッケー AC ラインなどのサージ電圧による IC の破壊を防止する ジピン数を増やすことなく，従来と同じパッケージピン数 目的で抵抗を直列に接続する。 待機時最低動作周波数（共通機能） （ 2） で実現した。 次に，電源の保護機能と外付け部品点数を表 2 に示す。 重負荷時のスイッチング周波数は表１に示す動作周波数 FA5553 シリーズは外部ラッチ方式の過熱保護機能をサー の 60 kHz または 100 kHz に固定されている。しかし，待 ミスタのみで構成することで，従来よりも部品点数を 2 点 機状態などの軽負荷時には損失低減のためにスイッチング 削減することができる。また，FA5547 シリーズは上述の 周波数を自動的に低下させる機能を有する。図 3 に示すよ 過熱保護のほか，モータなどの負荷を有する電源に必要な うに軽負荷時の周波数低下は FB 端子電圧に比例してほぼ パルス負荷電流に対応した電流制限機能およびブラウンア ウト機能を IC に内蔵したことで，従来よりも部品点数が 8 点削減できるため，電源のコストダウンが可能となる。 リニアに最低周波数である fmin（0.35 kHz）まで低下する。 過負荷ライン補正損失低減（共通機能） （ 3） 入力電圧によってトランスのインダクタ電流傾斜が異な に示 るため，過負荷となる電流値が異なる。従来は図 4（b） . 低待機時消費電力 すように電流検出抵抗 Rs と IS 端子間に R4，AC の整流平 滑後のラインと IS 端子間に R5 を接続しており，特に R5 起動回路（共通機能） （ 1） 図 2 に VH 端子を AC 入力電圧の半波波形に接続する方 は高電圧が印加するため，この部分の損失は 70 mW と大 きかった。そこで，新製品では IS の検出の極性をプラス 表 電源の保護機能と外付け部品点数 図 （a）過熱保護を必要とする電源 スイッチング周波数と FB 端子電圧の関係 保護機能 過負荷 過電圧 外部ラッチ （過熱） 部品点数 FA5528 ○ ○ ○ 17 FA5553 FA5554 ○ ○ ○※ 15 ※サーミスタのみによる過熱検出が可能 固定周波数 スイッチング周波数 型 式 ：新製品 （b）多様な保護機能を有する電源 保護機能 型 式 ブラウン アウト 過負荷 電流制限 過電圧 FA5528 ○ × ○ ○ × 25 FA5546 FA5547 ○ ○ ○ ○※ ○ 17 図 0.4 V 部品 点数 外部ラッ チ(過熱) ※サーミスタのみによる過熱検出が可能 最低周波数 f min （0.35 kHz） 0.9 V FB 端子電圧 図 過負荷ライン補正回路 ：新製品 PWM IC 起動回路 VCC ＋ ＋ C1 R9 補助巻線 C1 IS （a）損失低減回路 起動回路 RVH 電流 VH 起動回路 制御信号 スタート アップ回路 R5 IS VCC ＋ PWM IC C2 ＋ C2 R4 GND 主巻線 RS （b）従来回路 437（ 59 ） 特 集 波数を下げる機能を有している。新製品では従来品に対し 富士時報 Vol.80 No.6 2007 多機能低待機電力 PWM 電源 IC「FA5553/5547 シリーズ」 検出からマイナス検出とした。その結果，図 4（a） に示すよ 過負荷保護（電流制限） （ 3） 特 集 うに抵抗 R9 を補助巻線と IS 端子間に接続することで過負 インクジェットプリンタなどのモータ負荷用の電源には， 荷検出レベルの入力依存性の低減が可能となり，この部分 過負荷保護のほかパルス負荷電流に対しての保護が必要な の損失を 5 mW と従来品の 14 分の 1 にまで小さくするこ 場合がある。図 8 にパルス負荷電流に対応した過電流動作 とが可能となった。 概念図を示す。 図 8（a） は過負荷期間が 200 ms 未満の場合， 二次側出力電流が過負荷検出レベルより大きな負荷電流で . 保護機能 あっても IC はスイッチングを継続し，電流制限レベルに 達するまで二次側出力電圧は保持される。電流制限レベル 外部ラッチ方式過熱保護（共通機能） （ 1） 図 5 に示すように LAT 端子にサーミスタ TH を接続す 以上の負荷ではパルスバイパルスで一次側スイッチング電 ることで，LAT 端子が 1.05 V 以下で IC はラッチモード 図 に移行する。 ブラウンインとブラウンアウト動作の概念図 次に，FA5547 シリーズのみの保護機能について説明す る。 ブラウン イン検出 電圧 しきい値 ダイオード ブリッジ 半波入力 低 AC 入力電圧保護（ブラウンアウト） （ 2） 0 図 6 に示すように AC 入力電圧は VH 端子でモニタされ， 定格 二次側 出力電圧 起動回路を経由し，コンパレータに入力されている。図 7 は VH 端子の AC 入力電圧の半波入力を用いた場合のブラ 0 VCC MOSFET ゲート電圧 ウンアウト解除（ブラウンイン）とブラウンアウト検出動 0 （a）ブラウンイン時の動作 作の概念図を示す。図 7（a） はブラウンイン時の動作で，半 波入力がコンパレータのブラウンイン検出電圧のしきい値 ダイオード ブリッジ 半波入力 以上で IC がスイッチング動作を開始し，二次側出力電圧 はブラウンアウト時の動作で，半波入 は上昇する。図 7（b） 50 ms 遅延時間 0 二次側 出力電圧 定格 MOSFET ゲート電圧 VCC 0 力がコンパレータのブラウンアウト検出電圧しきい値以下 となり，50 ms 経過後 IC のスイッチング動作が停止する。 図 ブラウン アウト検出 電圧 しきい値 0 （b）ブラウンアウト時の動作 外部ラッチ方式過熱保護回路 図 PWM IC 5V LAT LAT TH 二次側 出力電圧 定格 ラッチ ＋ − パルス負荷電流に対応した過電流動作概念図 セット UVLO 電流制限 レベル 二次側 出力電流 リセット 過負荷検出 レベル 0 VCC MOSFET ゲート電圧 0 図 ブラウンアウト検出回路 過負荷期間 200 ms 未満 （a）過負荷期間が 200 ms 未満の場合 ＋ 主巻線 C1 二次側 出力電圧 定格 0 電流制限 レベル 二次側 出力電流 RVH 過負荷検出 レベル VH 起動回路 制御信号 保護回路へ スタート アップ回路 438（ 60 ） C2 VCC MOSFET ゲート電圧 0 − ＋ PWM IC ＋ 0 補助巻線 VCC 過負荷期間 200 ms 以上 ラッチ停止動作 （b）過負荷期間が 200 ms 以上の場合 多機能低待機電力 PWM 電源 IC「FA5553/5547 シリーズ」 富士時報 Vol.80 No.6 2007 流が制限され，二次側出力電圧は垂下する。しかし，図 8 使用 IC：FA5553（動作周波数 60 kHz） （ 3） （b） のように過負荷期間が 200 ms 以上となると IC はラッ 入力電圧 AC100 V と 264 V 時の 1.5 A 以下での負荷電 には 80 mA 以上で，入力電圧 AC264 V 時には 0.3 A 以上 電源回路への応用 でそれぞれ 80 % 以上と高い効率となっており，特に負荷 電流が低い領域での効率低下が小さい。このときの電源回 FA5553 を使ったスイッチング電源の特性を説明する。 . 路を図 電源効率特性 動作周波数特性 . 電源の主な仕様は以下のとおりである。 に示す。 入力電圧 AC100 V 時と 264 V 時の負荷電流と動作周波 入力電圧：AC90 〜 264 V，50/60 Hz （ 1） 数の関係を図 出力：DC19 V，0 〜 3.42 A（65 W） （ 2） 作周波数がリニアに低減しており，図 3 に示す IC の軽負 図 負荷電流と電源効率の関係 図 負荷電流と動作周波数の関係 100 70 AC100 V 60 動作周波数（kHz） 電源効率（％） 90 80 AC264 V 70 60 50 40 図 に示す。負荷電流が 0 〜 0.9 A の範囲で動 AC264 V 50 40 AC100 V 30 20 10 0 1.0 0.5 負荷電流（A） 0 1.5 0.5 1.0 負荷電流（A） 0 1.5 電源回路図 R200 C200 47Ω 200 pF 3.15 A 250 V F001 L001 L002 L C001 N 0.33 F R001 1MΩ R002 1MΩ D050 ∼ ＋ C051 ＋ 120 F 400 V ∼ − FG （＋VOUT） T051 C053 3.3 F R053 10Ω C006 2 R051 100 kΩ D200 ＋ C204 YG862C15 470 F D052 1 Q050 2SK3687 FLY2 C205 ＋ 470 F FLY1 GND C050 100 pF D107 R102 360Ω R056-1 R107 0Ω 23.7Ω D070 R056 R006 4.7 kΩ 6.8Ω C056 1 F ＋ C054 22 F IC100 R125 13 kΩ RT100 TTC 104 8 7 6 5 FA5553 1 2 3 4 R127 22 kΩ 9817 817A L051 3 10 R401 33 kΩ R405 10 kΩ PC300 C400 R408 0.1 F 10 kΩ C401 IC400 K1A 431A R122 R402 4.7 kΩ 1 kΩ C115 1 F D051 R400 470Ω R056 0.68Ω R126 20 kΩ C116 0.47 F C120 22 nF R112 22 kΩ PC300 R124 R123 75 kΩ 75 kΩ 439（ 61 ） 特 集 流と電源効率の関係を 図 9 に示す。入力電圧 AC100 V 時 チ停止し，スイッチング動作停止となる。 富士時報 Vol.80 No.6 2007 図 多機能低待機電力 PWM 電源 IC「FA5553/5547 シリーズ」 電力が 0.1 W 以下と小さくなっている。これは，待機電力 出力無負荷時の入力電圧と入力電力の関係 低減のために起動回路の IC 内蔵化，軽負荷時の動作周波 0.20 特 集 数の低減のほか過負荷ライン補正損失の低減を実現するこ 0.18 とで可能となった。 入力電力（W） 0.16 以上のように，今回開発した FA5553 シリーズおよび 0.14 FA5547 シリーズを使用することで低待機電力による高効 0.12 率化のほか，アプリケーションに必要な各種保護を少ない 0.10 部品点数で実現することが可能である。 0.08 0.06 あとがき 0.04 0.02 0 60 120 180 240 入力電圧（V ） AC 300 アプリケーションに必要な各種保護機能を少ない部品点 数で構成可能な低待機電力対応の電源 IC について紹介し た。この分野は今後もさらに低消費電力化要求が厳しく なってくることが予想されるため，さらなる機能強化・部 荷周波数低減機能が働いている。この機能により，図 9 に 品点数の削減による使いやすさを追求した製品を開発して 示す電源効率で軽負荷領域においても高い電源効率を保持 いく所存である。 することが可能となった。 参考文献 . 待機電力特性 待機電力として出力無負荷時の入力電圧と入力電力の関 係を図 に示す。入力電圧が AC90 〜 240 V の範囲で入力 440（ 62 ） 丸山宏志ほか．起動素子付き低待機電力対応電源 IC．富 （ 1） 士時報．vol.76, no.3, 2003, p.149-152. ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。