富士時報 Vol.79 No.5 2006 擬似共振型低待機電力電源制御 IC 特 集 園部 孝二（そのべ こうじ） 打田 高章（うちだ たかあき） まえがき することができ，プリンタ用電源や液晶テレビ用電源など ノイズ対策が必要となるアプリケーションに適している。 近年，地球温暖化問題が注目され，電気製品全般での省 図 1 に 製 品 の 外 観（DIP-8，SOP-8） を 示 す。 最 大 発 エネルギー化が重要となっている。特に電気製品を使用し 振周波数や過負荷保護動作などの違いにより FA5540， ていなくても，コンセントに接続されている状態で消費さ FA5541，FA5542 の 3 型式の系列化を行った。特性一覧 れる待機電力を減らすことが大きな課題となっている。 を表１にまとめる。図 2 に FA5541 のチップ，図 3 に回路 こ の よ う な 状 況 の 中， 富 士 電 機 で は 商 用 交 流 電 源 （AC100 〜 240 V） を 直 流 電 源 に 変 換 す る AC-DC コ ン 図 製品の外観 表 FA5540シリーズの特性一覧 バータ用スイッチング電源の制御 IC として，低待機電力 化に有効な起動素子内蔵タイプの系列化を進めてきた。起 動素子内蔵タイプは，電源の起動時に，一次側高電圧から 制御 IC の動作開始に必要な起動電流を供給し，スイッチ ング動作開始後は一次側高電圧からの起動電流をオフする 特徴を持つ。 現在までに系列化した起動素子内蔵タイプの制御 IC は， PWM（Pulse Width Modulation） 制 御 IC「FA5516」 シ （ 1） リーズと擬似共振型低待機電力電源制御 IC「FA5530」シ （ 2） リーズがある。これらの IC の特徴として，電気製品の待 機状態である軽負荷時や無負荷時に，スイッチングロスを 最大スイッチング 周波数制限 過負荷 保護動作 型 式 VCC端子 過電圧レベル 消費電流 今回は，さらなる電源の低待機電力化を実現するために， FA5540 16 V 1.1 mA 60 kHz 自動復帰 軽負荷時や無負荷時に間欠動作する擬似共振型低待機電力 FA5541 28 V 1.2 mA 120 kHz 自動復帰 電源制御 IC「FA5540」シリーズを開発したので，その概 FA5542 28 V 1.2 mA 120 kHz ラッチ 減らすため発振周波数を低下させる機能を備えている。 要を紹介する。 図 FA5541 のチップ 製品の概要 . 特 徴 FA5540 シリーズは，擬似共振制御方式のスイッチング 電源用に開発した制御 IC である。AC-DC 電源の一次側 のパワー MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor FieldEffect Transistor）のドレイン電圧を補助巻線電圧で間接 的に監視し，トランスに蓄積したエネルギーを二次側出力 に供給し終わったあとの，共振振動の電圧極小点でタイミ ングを取ってパワー MOSFET をオンさせる。これにより スイッチングロスを低減し，高効率・低ノイズ化を容易に 398（ 54 ） 園部 孝二 打田 高章 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 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・電源事業部技術開発部。 本部情報・電源事業部技術開発部。 擬似共振型低待機電力電源制御 IC 富士時報 Vol.79 No.5 2006 図 FA5541 の回路ブロック図 立下りエッジ 検出回路 FB端子電圧 ワンショット パルス 発生回路 （205 ns） 内部トリガ 発生タイマ （5.6 s） 起動電流 制御回路 12.4 V/10.2 V 5 V出力 チェック 回路 5 V発生 回路 − 0.34 V 電流比較器 ＋ S Q ZCD ＋ R − 1V OUT端子 スイッチング パルス OUT − 過電圧検出2 重負荷 − − ソフトスタート 電圧発生器 （1 ms） 7.2 V タイマ 200 ms 1,600 ms VCC リセット − ＋ ＋ 出力 回路 − 50 A 3.3 V 低電圧 保護回路 電源 ＋ IS スイッチング 停止電圧 0.34 V VCC 10.2 V/ 内部制御用 9V スイッチング停止 電圧検出 5V 起動電流 供給回路 VH クリア リセット 最大スイッチング 周波数制限 8.3 s 5V （120 kHz） FB 間欠動作波形 特 集 ZCD 図 タイマ ラッチ （54 s） ＋ − 過負荷検出 軽負荷 過電圧検出1 28 V GND にトランスに蓄積したエネルギーを，オフ期間に二次側に フライバック電圧として伝送し，放出し終わった後，トラ 図 擬似共振動作の説明 ンスのリアクタンスとドレイン容量の間で共振を起こし電 圧が振動する。擬似共振方式はこれを利用してドレイン電 圧が極小点まで下がったタイミングでパワー MOSFET を パワーMOSFET V ds 波形 オンさせる。この場合，トランスを流れる電流がゼロでド レイン電圧が小さいときにスイッチングするため，スイッ 最大発振周波数 制限 8.3 s （120 kHz） 8.3 s 8.3 s （120 kHz） （120 kHz） チングロスやノイズを低減することができる。 図 4 に擬似共振動作の説明を示す。一般に擬似共振方式 ZCD端子検出 立下りエッジ信号 では負荷が軽くなるとスイッチング周波数が高くなる。ス OUT端子 スイッチング パルス 低下することや高周波ノイズを発生し機器の誤動作を起こ イッチング周波数が高いとスイッチングロスが増え効率が すなどの弊害があるため，最大スイッチング周波数制限機 能を制御 IC に設けて，スイッチング周波数がそれ以上高 くならないようにしている。 ブロック図を示す。IC の特徴は以下のとおりである。 500 V 耐圧の起動電流供給回路を内蔵し，一次側高電 （ 1） . 軽負荷時・無負荷時動作 圧の VH 端子から制御 IC の電源である VCC 端子に電 軽負荷時や無負荷時には，スイッチング停止電圧検出 流を供給している。 比較器により FB 端子電圧が 0.34 V 以下になるとスイッチ ™電流供給時：7.5 mA（VCC ＝0 V） ング停止する。再び FB 端子電圧が 0.34 V 以上になるとス ™電流停止時：20 µA（VCC ＝15 V） イッチングを再開する。この機能による間欠動作波形を図 軽負荷時や無負荷時には FB 端子電圧が低下し， 0.34 V （ 2） 5 に示す。このように FB 端子電圧はスイッチング停止電 以下になるとスイッチング停止電圧比較器により，ス 圧を挟んでオーバシュート，アンダシュートを起こす。こ イッチング停止する。この機能を利用して間欠動作を実 のオーバシュート期間にオン幅の広い連続パルスを出し， 現している。 アンダシュート期間にスイッチング停止することで，周期 高耐圧厚膜ゲート CMOS プロセスの採用により，回 （ 3） の長い間欠動作を行っている。 路構成が単純化でき，消費電流が少ない。 電源回路への応用 制御 IC の電源端子 VCC の電圧が 10.2 V 以上で動作 （ 4） 開始し，9.0 V 以下になると動作停止する UVLO（低電 圧誤動作防止）回路を内蔵している。 VCC 端子過電圧ラッチ，ZCD 端子過電圧ラッチ，ソ （ 5） . 評価用電源 この IC を使ったスイッチング電源の特性を説明する。 フトスタート，過負荷保護など各種保護機能を内蔵して 図 6 に電源回路図を示す。 いる。 電源の主な仕様は以下のとおりである。 ™入力電圧：AC 80 〜 264 V，50/60 Hz . 擬似共振動作 フライバックコンバータはパワー MOSFET のオン期間 ™出 力：DC19 V，0 〜 5 A（95 W） ™使用 IC：FA5541（最大周波数 120 kHz） 399（ 55 ） 富士時報 Vol.79 No.5 2006 図 擬似共振型低待機電力電源制御 IC 評価用電源回路 特 集 Bead C21 D21 2,200 pF C11 AC80∼ 264 V 470 pF R1 1 MΩ C1 R2 1 MΩ F1 3A 7 mH L1 C2 D1 ∼ ＋ TH1 ＋ C4 220 F C3 R3 56 kΩ C5 2,200 pF ∼ − 0.22 F 470 pF 3,300 F ×3 L21 T1 D22 D2 J2 J1 Q1 パワー MOSFET FG D3 R4 7.5 kΩ R15 D4 100 Ω R9 ＋ ＋ C22 C23 C24 ＋ C25 1,000 F C29 0.022 F C6 220 pF R7 4.7 kΩ R5 10 Ω ＋ PC1 C9 22 pF C7 1,000 pF PC1 R12 0Ω C8 4,700 pF 8 2 7 IC21 3 6 4 5 FA5541 ＋ 2.4 Ω R14 GND R26 200 kΩ R23 10 kΩ C26 2,200 pF R25 制御IC 1 R22 2 kΩ R8 0.22 Ω R6 100 Ω ＋19 V 0∼5 A 4.7 F L22 D5 C28 0.1 F R27 18 kΩ C27 10 kΩ 0.01 F R28 15 kΩ T1 N p ：N s ：N sub：57：10：12 L p ＝360 H C10 100 F R11 100 kΩ 図 定格負荷時のスイッチング波形（入力 AC100 V） 図 OUT端子 スイッチング パルス （20 V/div） 0 パワーMOSFET ドレイン電圧 （100 V/div） 0 4 s/div 4 s/div . . OUT端子 スイッチング パルス （20 V/div） 0 パワーMOSFET ドレイン電圧 （100 V/div） 0 出力電流 1 A 時のスイッチング波形（入力 AC100 V） 最大発振周波数制限 間欠動作 図 9 に AC100 V 入力で定格の 4 % 負荷（出力電流 0.2 A） 定格負荷時（出力電流 5.0 A）のスイッチング波形を図 7 の動作波形を示す。FB 端子電圧が低くなるとスイッチン に示す。パワー MOSFET ドレイン電圧の共振動作の極小 グを停止し，FB 端子電圧が高くなるとスイッチングを再 点で OUT 端子スイッチングパルスがハイ状態になり，パ 開し，2.8 ms 周期で間欠動作している。 図 ワー MOSFET がオンする。次に定格の 20 % 負荷（出力 入力で無負荷時の動作波形を示す。440 ms とさらに長い 電流 1.0 A）のスイッチング波形を図 8 に示す。最大スイッ 周期で間欠動作している。 に AC100 V チング周波数制限機能が働き，一つ目の共振の極小点をス 待機電力特性 キップし，二つ目の極小点で OUT 端子スイッチングパル . スがハイ状態になり，パワー MOSFET がオンしている。 図 400（ 56 ） に出力電流 0.1 〜 2.0 A の効率を示す。比較のため 擬似共振型低待機電力電源制御 IC 富士時報 Vol.79 No.5 2006 図 出力電流 0.2 A 時の間欠動作波形（入力 AC100 V） 図 軽負荷時の効率（入力 AC100 V） 効率（％） パワーMOSFET ドレイン電圧 （100 V/div） 0 図 FA5541 90 0 特 集 100 FB端子電圧 （0.5 V/div） 80 FA5531 70 60 1 ms/div 50 0 0.5 1.0 出力電流（A） 1.5 2.0 無負荷時の間欠動作波形（入力 AC100 V） 図 無負荷時の入力電力特性 FB端子電圧 （0.5 V/div） 160 0 パワーMOSFET ドレイン電圧 （100 V/div） 0 100 ms/div 入力電力（mW） 140 120 FA5531 100 80 60 FA5541 40 20 0 50 同じ電源評価ボードで従来機種 FA5531 に載せ換えた場合 100 150 200 250 300 交流入力電圧（V） の特性を示す。間欠動作する出力電流 0.8 A 以下の領域で 効率が大幅に向上していることが分かる。 図 に無負荷時の入力電力特性を示す。比較のため同 い。VCC 電圧が 15 V のとき 7.5 mW 電力削減できる。 じ電源評価ボードで従来機種 FA5531 に載せ換えた場合 以上のように，この制御 IC を使用することにより，ス の特性を示す。AC100 V の無負荷時入力電力は 48 mW， イッチング電源の低ノイズ・高効率化を実現することが可 AC 240 V の無負荷時入力電力は 80 mW であり，FA5531 能である。 に比べて無負荷時入力電力を約 30 % 削減した。また入力 あとがき 電 圧 の 全 範 囲（AC 80 〜 264 V） で， 無 負 荷 時 入 力 電 力 100 mW 以下を実現した。 擬似共振型低待機電力電源制御 IC「FA5540」シリーズ 従来機種 FA5531 より，さらに低待機電力化を実現でき について紹介した。これらの IC は低ノイズ・低待機電力 た主な要因は，次の二つが考えられる。 を重視したスイッチング電源に最適である。 間欠動作の効果 （ 1） 今後も市場の低待機電力化の要求は高まると考えられる 間欠動作で FB 端子電圧にオーバシュートをかけること ため，製品ごとの用途に最適化した特徴を持つ，低待機電 により，パワー MOSFET のオン時間が長くなり，1 回の 力対応制御 IC の系列化を進めていく所存である。 スイッチングで二次側出力に供給できる電力が大きくでき， スイッチング回数が少なくて済むため，スイッチングロス を低減できた。 高耐圧厚膜ゲート CMOS プロセスの採用 （ 2） これにより，回路構成を単純化でき，制御 IC の低消費 電流化を実現できた。この制御 IC の動作時消費電流は 参考文献 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. 丸山宏志ほか．擬似共振電源制御 IC．富士時報．vol.78, （ 2） no.4, 2005, p.294-298. 1.2 mA で，従来機種 FA5531 の 1.7 mA より 0.5 mA 少な 401（ 57 ） ＊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。