富士時報 Vol.80 No.6 2007 鹿島 雅人（かしま まさと） 菅原 敬人（すがわら たかと） 渕先 寛教（ふちさき ひろのり） まえがき 源 IC「FA5550/5551」を開発したのでその概要を紹介する。 製品の概要 近年，電子機器の小型化・軽量化・高機能化に伴いス イッチング電源の利用が広く普及している。スイッチング 電源ではコンデンサインプット型の整流・平滑回路が採用 今回開発した FA5550/5551 は各種の機能を内蔵し，8 されている。この方式は，その変換に際し大量の電源高調 ピ ン の DIP（Dual In-line Package） ま た は SOP（Small 波電流を発生させている。そのため電力系統の電圧ひずみ Out-line Package）に収められている。図 1 に外観を示す。 が発生し，一部の機器においては動作障害が顕在化しつつ ある。また，電源高調波電流成分の増加は力率を大幅に低 下させることになり，電力配電の観点からも問題視されて 表 PFC回路用電源ICの製品比較 いる。このような背景から，電源高調波電流成分を法的に 規制する動きが出てきており，現在はガイドラインにより 自主規制が行われている。 電源高調波電流および力率の問題を解決するために種々 の方式が提案されているが，小型・軽量で高力率を実現で きることからアクティブフィルタ方式が広く使われている。 これまでにアクティブフィルタ回路の制御 IC として電 流臨界モードの「FA5500/5501」 （8 ピン）と電流連続モー ドの「FA5502」 （16 ピン）の製品化を行ってきた。目安 として出力容量 250 W 未満には FA5500/5501，出力容量 250W 以上の大電力向けには FA5502 の適用を提案してき た。しかし近年，大電力の用途でも電源の低価格化が要求 され，外付け部品を少なく簡単に設計できる電流連続モー ド IC の要望が出てきた。これに対応するために 8 ピンで 連続モードの PFC（Power Factor Correction）回路用電 図 FA5550 の外観 項 目 FA5550/5551 FA5502 平均値モード 平均値モード 周波数（kHz） 固定周波数 65（標準） 外部設定 15∼150 ピン数（ピン） パッケージ種類 8 DIP/SOP 16 DIP/SOP 動作モード 推奨動作電圧範囲（V） 10∼28 10∼28 出力電流（A） −1/＋2 ±1.5 スタートアップ電流（ A） 20（最大） 30（最大） 動作電流（mA） 2.5（標準） 4.0（標準） UVLOオンしきい値電圧 FA5550 : 9.6（標準） （V） FA5551 : 13.0（標準） UVLOオフしきい値電圧 （V） 9.0（標準） UVLO ヒステリシス電圧 FA5550 : 0.6（標準） （V） FA5551 : 4.0（標準） 16.5（標準） 8.9（標準） 7.6（標準） エラーアンプ 相互コンダクタンス アンプ V fb ＝2.5 V±1.4 % 電圧アンプ V fb ＝1.55 V ±2.0 % 過電圧保護 しきい値電圧 : V fb ×1.09±2.8 % しきい値電圧： 1.64 V±2.0 % 過電流リミットしきい値 電圧（V） 1.0（標準） −1.1（標準） スロープ補償 可変 なし ブラウンアウト機能 あり なし FB端子 オープン/ショート 保護機能 あり なし 0.9∼0.99 0.95以上 クラスD クラスA 力 率 高調波対応 鹿島 雅人 菅原 敬人 渕先 寛教 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・電源事業部開発営業部。 441（ 63 ） 特 集 電流連続モード PFC 回路用電源 IC「FA5550/5551 シリーズ」 富士時報 Vol.80 No.6 2007 . 電流連続モード PFC 回路用電源 IC「FA5550/5551 シリーズ」 特 徴 動作説明 . 特 集 表１に PFC 回路用電源 IC の製品比較を示す。FA5550/ 5551 の主な特徴は以下のとおりである。 スイッチング動作 （ 1） 本 IC はアクティブフィルタの制御 IC であり，ピーク 大電力に対応できる電流連続モード動作を実現 （ 1） 電流値を制御する方式を採用している。図 2 に概略動作回 UVLO（Under Voltage Lock Out）オンしきい値電 （ 2） 路を， 図 3 にスイッチング動作各部波形を示す。発振器 圧が 9.6 V（標準） （FA5550）と 13.0 V（標準） （FA5551） の 2 型式をラインアップ （OSC）から出力されたスイッチング周波数のトリガ信号 は，RS フリップフロップにセット信号として入力される。 動作周波数 65 kHz（固定） （ 3） この結果，OUT 端子電圧がハイ状態となり，Q1 がオン 出力電圧検出抵抗のオープンショート検出回路により， （ 4） 。Q1 がオンすると L1 からの電流が増加する。 する（t1） 出力電圧検出部が異常になった場合に回路動作を停止 Q1 の電流値は Rs で電圧に変換され，IS 端子に入力され ブラウンアウト（入力低電圧）保護機能内蔵 （ 5） る（Vis） 。Vis をスロープ補償回路（Slope）で減算した値 外付け抵抗によりスロープ補償値が可変で起動・停止 （ 6） が，乗算器（MUL）の出力で決定される電流コンパレー 時のトランス異音を抑制 タの基準に達すると RS フリップフロップにリセット信号 表 2 に主要特性を示す。 。内部発振器から出力される が入り，Q1 はオフする（t2） セット信号により，次のスイッチングサイクルへと移る。 表 本 IC は，ピーク電流を制御し電流連続モードで動作す 主要特性 （a）絶対最大定格 項 目 図 特 性 30 V 電源電圧 動作周囲温度 −30∼＋105 ℃ 動作接合温度 150 ℃ OUT （Q1 ゲート） （b）電気的特性 項 目 Q1 V DS 特 性 スタートアップ電流 20 A（最大） 動作時回路電流（ C l ＝1nF） 2.5 mA（標準） IL1 2.5 V±1.4 % 基準電圧 65 kHz（標準） 発振周波数 96 %（標準） 最大デューティサイクル 1.09V fb /1.045 V fb 過電圧保護しきい値電圧 図 スイッチング動作各部波形 過電流保護しきい値電圧 1.0±10 % ブラウンアウトしきい値電圧 70 V/63 V 出力立上り時間（ C l ＝1nF） 50 ns（標準） 出力立下り時間（ C l ＝1nF） 25 ns（標準） 概略動作回路 CUR.comp 出力 （リセット） OSC 出力 （セット） t1 図 t2 t1 t2 各部動作波形イメージ D1 L1 L1 ＋ Q1 D1 C2 C1 RS MUL COMP 1 2 C3 GND 6 IS UVL0 電流 コンパレータ AOC − VSP − （0.3 V） SP OSC ＋ VOVP （1.09 VREF） ＋ OVP SLOPE − IS 442（ 64 ） REF − 4 RS 8 VREF （2.5 V） ＋ ERRAMP MUL − VOS ＋ （2.0 V） Q1 C1 VCC 3 FB AC V is 5 RS フリップ フロップ ＋ SP 7 R S ブラウン アウト SLOPE MUL V Q OVP OUT 3 （正弦波） ｔ 4 Slope MUL ＋ CUR.comp − ERRAMP V ＋ （正弦波） 2 − ｔ COMP C3 V ｔ （ほぼ DC） FB 1 電流連続モード PFC 回路用電源 IC「FA5550/5551 シリーズ」 富士時報 Vol.80 No.6 2007 AOC（Auto Offset Control）回路が接続されている。過 ロープ補償回路を内蔵している。また，そのスロープ補償 電流保護回路は，入力電圧が高いときに基準となる過電流 量は外付け抵抗値により可変となっている。 保護レベルを小さく，入力電圧が低いときに過電流保護レ 力率改善動作 （ 2） ベルを大きくなるように設定することにより，入力電圧に 図 4 に各部動作波形イメージを示す。 依存せず一定の値で過電流保護がかかるようになっている。 誤差増幅器の出力となる COMP 端子の電圧は，C3 によ 入力電圧に対する過電流検出電圧を図 6 に示す。 り定常状態ではほぼ直流電圧となる。この電圧は乗算器に 入力される。乗算器のもう一方の入力には，AC 入力電圧 ブラウンアウト保護回路 （ 4） 入力低電圧時の保護回路としてブラウンアウト保護回路 を整流した波形が入力される。この結果，乗算器からはこ を備えており，MUL 端子入力を監視することで入力低電 の二つの波形の積となる AC 入力電圧に比例した正弦波状 圧を検出する。入力電圧 63 V（標準）でブラウンアウト の波形が出力される。乗算器の出力波形を図 5 に示す。こ （動作停止） ，タイマ約 200 ms，入力電圧 70 V（標準）で の出力された正弦波状の電圧波形が電流コンパレータにイ ンダクタ電流の基準として入力される。この結果，インダ クタ電流の平均値は正弦波となる。C1 によってこのイン ブラウンイン（動作復帰）する。 スロープ補償調整回路 （ 5） 外付けの抵抗の値を変化させることで，スロープ補償量 ダクタ L1 の電流のスイッチングリプルを取り除き，平均 の調整が可能となっている。図 7 にスロープ補償抵抗値に 化することで，交流入力電圧から流れ込む電流もほぼ正弦 対するスロープ補償量を示す。 波状になり，力率を改善することができる。 過電流保護回路 （ 3） 過電流保護は図 2 の電流コンパレータで行っている。電 流コンパレータには軽負荷時にオフセットをゼロとする 図 図 スロープ補償抵抗値に対するスロープ補償量 80 乗算器の出力波形 スロープ補償（mV/ s） 70 4.0 乗算器出力電圧（V） 3.5 COMP＝3 V 3.0 COMP＝2 V 2.5 2.0 1.5 1.0 COMP＝1 V 0.5 0 1 2 3 V mul（V） 4 5 50 40 30 20 10 0 0 6 50 100 150 200 250 300 350 400 スロープ補償抵抗（kΩ） 入力電圧に対する過電流検出電圧 過電流検出電圧（V） 図 0 60 図 応用回路例 YG97256 1.20 500 F 1.15 2SK3683 2SK3683 47 kΩ 440 F 220 F ×2 ＋ 0.1Ω 1.05 680 kΩ 470 kΩ 470 kΩ 10 kΩ ERA91-02 ERA91-02 220Ω 1.00 22Ω 33Ω 430 kΩ 220Ω 22Ω 360 kΩ 0.95 100 kΩ 0.90 0.85 0.80 100 47 kΩ 0.47 F 1.10 400 V 22 kΩ 120 140 160 180 入力電圧（V） 200 220 240 0.47 F VCC COMP OUT MUL GND IS 0.01 F 10 kΩ FB 0.01 F SLOPE FA5550 4,700 pF VCC 18 V 330Ω 100 kΩ ＋ 100 F 443（ 65 ） 特 集 るためサブハーモニック発振を抑制する必要があり，ス 富士時報 Vol.80 No.6 2007 図 電流連続モード PFC 回路用電源 IC「FA5550/5551 シリーズ」 入力電圧−入力電流波形 応用回路例 特 集 AC100 V 入力，400 W 出力 図 8 に 応 用 回 路 例（ 入 力 90 〜 264 V， 出 力 390 V， 400 W）を， 図 9 に AC 入力電圧 100 V 時の入力電圧−入 力電流波形を示す。 図 入力電圧 （50 V/div） に高調波電流特性を示す。電流 波形が電圧波形と同位相の正弦波となっており，力率がほ とんど 1 に近い値に制御されていることが分かる。また， 電流波形は入力部のフィルタにより平均化されて正弦波と なっていることが分かる。さらに，高調波電流も十分小さ な値となっている。 入力電流 （5 A/div） 4 ms/div あとがき 8 ピン電流連続モードの力率改善 IC の概要について紹 図 介した。力率改善回路のニーズはよりいっそう高まってい 高調波電流特性 高調波電流値（A） くと予想される。今後さらに，入力電圧を監視しない方式 3.5 の力率改善 IC の開発などを行い，市場の要求に応えいく 3.0 所存である。 2.5 参考文献 2.0 黒 田 栄 寿 ほ か． 力 率 改 善 制 御 用 IC． 富 士 時 報．vol.67, （ 1） 1.5 no.2, 1994, p.121-125. 1.0 IEC61000-3-2 クラス D の規格値 0.5 0 3 5 7 9 11 13 次数 444（ 66 ） 15 17 19 21 鹿島雅人，城山博伸．CMOS 力率制御用電源 IC．富士時 （ 2） 報．vol.74, no.10, 2001, p.551-553. ＊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。