Monolithic Power Systems, Inc AN-01 MP1010 を使用した CCFL インバータの設計 AN01 MPS 社アプリケーションノート AN01 より V.11 5/99 マイクロテック（株）マーケテｲング１部 1999 年９月 はじめに 図１ 基本的な MP1010 の使用法 モノリシックパワーIC の MP1010 を使用 すると小型、高効率の CCFL（冷陰極管） 用インバータが実現できます。この IC に Gnd OutR MP1010 .. OutL ートランジスタと、6.5V∼22V の供給電源 範囲でランプ電流を安定に保つ、電流ゼロ の共振スイッチング制御回路が内蔵されて います。MP1010 は負荷の共振周波数にお 機能について ける効率を最大限にし、出力段における無 全範囲、シングルステージ、１チップ構成 駄な高調波エネルギを最小限にできます。 ランプ電流はほぼ完全な対称型サイン波と MP1010 は CCFL インパータモジュール なるため、尖頭電流ファクタを充分に小さ の中核となるデバイスです。この IC には くでき長期間のランプ寿命を保証できます。 CCFL インバータシステムに必要なパワー 通常、トランスとランプに直列に挿入する トランジスタによる H-ブリッジ、制御回 バラストコンデンサを使わずに、トランス 路、そして保護回路が内蔵されています。 の二次側をランプに直接接続できるため、 従来の Royer 方式が２段の電力回路で構成 高電圧ストレスによるトランスの寿命劣化 されているのに対して、MP1010 は完全対 の心配が無くなりました。ソフトスタート 称な共振構成の電力回路が１段で構成され の機能と共振回路構成によって、放電開始 ています。図２は MP1010 の機能ブロッ 最小電圧で放電を確実に始めることが可能 ク図です。インバータに必要な全ての機能 になった為、更にトランスに対するストレ は MP1010 に 含 ま れ て い ま す の で 、 スを減らすことができます。 MP1010 を使用したインバータシステムで オープンランプ電圧は、キャパシタを使用 の主要な部品は MP1010 と昇圧トランス した分圧器と数点の安価な外付け部品を付 の２つだけとなります。 加するだけで安定化できます。オープンラ ンプ遮断タイマも同様に実現できます。 Monolithic Power Systems 1of７ Version 1 Sep.1999 CCFL は、昇圧用トランスをドライブできるパワ Vin = 7V - 22V Monolithic Power Systems, Inc AN-01 図２ MP1010 の機能ブロック図 Vs OutL OutR BstL BstR Comp f1 S 2.5V - C1 Q Driver Driver R + f2 + 50mv C2 R S Q Q + MUX C4 VIlim + C3 T /Q - Open L + C5 Bright 1.1V + + A2 Start-up, States Control, Internal Regulators, and Thermal Shutdown Enable - A1 - Isense - Test/ Burst Vref 共振回路の構成 パワーH - ブリッジ MP1010 ではランプをドライブする為の高 電圧を発生する為に共振回路を使用してい MP1010 の出力段は 22V の動作電圧特性 ます。この方式はトランスの二次側巻線に と 0.12 Ω の オ ン 抵 抗 を 持 っ た ４ つ の 対する高電圧ストレスを低減できます。こ DMOS パワーFET で構成される H-ブリッ れは、トランスからバラストコンデンサを ジです。MP1010 を使用したインバータで 介して CCFL をドライブする Royer 方式 は外部にパワートランジスタは不要で、ト と異なり、トランスから CCFL を直接ド ランスを直接ドライブできます。この方式 ライブするからです。MP1010 で使用され の利点は、パワートランジスタのコストが るトランスのサイズは原理的に Royer 方式 削減できるだけでなく、インバータモジュ で使用されるフライバック型のトランスよ ールの基板面積を大幅に小型化できること りも小型にできます。更に、共振回路構成 です。パワーH-ブリッジ及びその制御回路 は対称のサイン波を出力できる為、入力さ を内蔵したことによるもうひとつの利点は、 れた電力の光エネルギへの変換効率も 高温保護と過電流保護を実現できたことで Royer 方式より優れています。 す。 Monolithic Power Systems 2of７ Version 1 Sep.1999 Vdr Monolithic Power Systems, Inc 動作異常保護 AN-01 電力が CCFL に対して供給されることに なります。結果的に CCFL の増加電流が オープンランプ保護 D2 と R2 で構成される半波整流回路から 引き出されます。R2 の電圧は Isense ピン MP1010 はオープンランプ電圧安定化回路 をドライブし、Comp ピンに流れ込む電流 と遮断回路を簡単に実現できるように設計 を減少させますので帰還ループが構成され されています。オープンランプという異常 ます。 が発生すると、オープンランプ電圧はオー プンランプの遮断タイマが規定時間に達す 設計手順 るまでの間安定化されます。オープンラン プ電圧とオープンランプタイマは両方共ユ CCFL インバータを設計する際、入力のパ ーザプログラマブルです。 ラメータは、供給電圧、ランプの放電開始 電圧、全負荷電圧、最大ランプ電流、そし 出力短絡保護 てパネル容量などです。図３は、僅かな微 調整をするだけで殆どの用途に利用できる 輝度はランプ電流を調整することで可変で 平均的な回路構成です。 きます。MP1010 の Bright ピンに与えら れる電圧を 0V∼2V の範囲で変化させるこ （異なる特性を持つパネルをドライブする とによりランプ電流を可変できます。 場合はマイクロテック㈱マーケテｲング 1 この Bright ピンは動作範囲 0-2V の高イン 部までお問い合わせください。 ） ピーダンスのアナログ入力で、2V で最大 輝度となり 0V で最低輝度となります。こ ランプ電流の設定 のピンに 2V よりも高い電圧を加えてもラ ンプの輝度には影響しませんが、内蔵の R2 ESD 保護ダイオードが導通してしまわな 図３において、最大ランプ電流を設定する いように 7V 以下の電圧とします。輝度調 為には、Isense ピンにおいて 125mV の平 整範囲はランプ電流センス時で約 4.5：１ 均電圧時に最大ランプ電流となるようにセ です。 ンス抵抗 R2 の値を決めなくてはなりませ ん。以下の式から最大ランプ電流を得るた 図２と図３(P.6)を使ってランプ電流制御ル めの最適なセンス抵抗値を算出します。 ープを説明します。Bright ピンに 0-2V を 式１ 加えることにより Comp ピンに流れ込む電 R Isense = 2 * 0.125V / I Lamp max . 流は PMOS を非バイアスし C1,C1,f1&f2 で構成される On-Time オシレータを動作 最大ランプ電流が 6mArms のときは、 させます。Comp ピンにより高い電圧が与 2 * 0.125V / 6mArms = 4.16Ω えられると H-ブリッジからより長い時間、 となります。 Monolithic Power Systems 3of７ Version 1 Sep.1999 Monolithic Power Systems, Inc AN-01 実際の R Isense は上式で得られた値より約 て決められます。このキャパシタは Isense 10%大きい値とします。これは定格 RMS ピンに与えられる半波電圧からのインパル ランプ電流値と制御される平均電流が異な スをフイルタリングするのに充分な大きさ る為です。 でなくてはなりません。しかし、同時に制 御ループが電源電圧変化に迅速に応答でき Vcc、Vdr 、及び Vref ピンの る程度には小さい必要があります。妥当な デ・カプリングキャパシタ 値としては 2.2-10nF です。 C1,C6,C13 更に、ソフトスタートは補償キャパシタ対 10μF かそれ以上のキャパシタを Vcc ピン GND に最初の出力パワーサイクルの直前 のデ・カプリングキャパシタ(C1)に使用し にプリチャージすることによって実現でき ます。更に、通常動作時に発生するスイッ ます。Comp ピンの直流インピーダンスは チングスパイクを減衰させるために 1μF 非常に大きくループ利得の殆どがこのノー を各 Vcc ピン(C6 と C13)の近くに追加し ドに置いて生成されます。 ます。 ソフトスタート時間は下式によって得られ ます。 C7,C14 C7 と C14 のブートストラップキャパシタ 式２ は、立ち上がりエッジ後に上段のスイッチ Tsoft = 850uS + [Ccomp * 2V ] / VBright / 125KΩ + 5uA が確実にドライブされるに充分な大きな値 が必要ですが、しかし、電源立ち上がりシ ーケンスの期間にレギュレータをドライブ [( ) = 850uS + [4.7nF * 2V ] / [(1V / 125KΩ) + 5uA] = 850us + 723us = 1.57 ms できない程大き過ぎてはいけません。10V 以上の耐圧を持った 10nF のセラミックキ ここで 850μs は MP1010 内のステートマ ャパシタを推奨します。 シンがスタートアップを初期化するのに必 要な時間です。 Ccomp は 図 ３ の C3 で C4 Vbright は Bright ピンに与えられる電圧で この 5V リファレンス電源用バイパスキャ す 。 BOM に お い て 、 C3=4.7 μ F と パシタ(C4)は電源投入時にリファレンスレ Vbright=1V を前式に代入して Tsoft=1.57ms ギュレータが充電できない程大き過ぎては が得られます。 いけません。1μF を推奨します。 システム補償とソフトスタート C3 補償用キャパシタの値は制御ループの応答 速度とソフトスタートランプの定格によっ Monolithic Power Systems 4of７ Version 1 Sep.1999 ] Monolithic Power Systems, Inc AN-01 オープンランプ保護 オープンランプ遮断 オープンランプ検出とレギュレーション 図３と BOM において、オープンランプ電 圧のピーク値は以下の式で得られます。 オープンランプタイマはランプ電圧をキャ 式３ パシタ分圧器と簡単な検出器を介してフイ Vopen lamp peak to peak = (C10 / C11) * (Vref + 3Vd ) ードバックさせることで実現できます。 ここでは Vd = 0.65V 、 Vref = 5.1V です。 OpenLamp ピンは内蔵のアナログコンパ C10=10nF 及び C11=15pF のとき、上式 レータの入力端子です。このコンパレータ の結果は以下のようになります。 の 閾 値 は 1.15V に 設 定 さ れ て い ま す 。 OpenLamp ピンの電圧が閾値以上である Vopen lamp peak to peak = 4.7 KV . 限り、MP!010 は通常の動作を継続します。 OpenLamp ピンの電圧がこの閾値より下 R1 回ると、MP1010 は負荷に対するドライブ 以下の式はオープンランプ遮断カウントダ を停止し、4 個の出力スイッチをオフにし ウンタイマの値を設定する為に使います。 て、Drive レギュレータをデｲスエーブル にします。（Ref レギュレータは引き続き 式４ on のままです。 ）動作を復帰させる為には、 Tocd = R1* C 2. Enable ピンを約 100μs の間 Low にして から再び High にしなくてはなりません。 R1 = 1MΩ 、 C 2 = 1µF ,のとき、 Tocd = 1 秒 この機能をデｲスエーブルとする場合は となります。 OpenLamp ピンを Vref ピンに接続します。 トランスの設計 MP1010 は巻数比 Np:Ns=1:100、LLK=350 μH（二次巻線と一次巻線短絡で計測）、 SRF（二次側共振周波数）が 5MHz 以上 のノンギャップ型のトランスを使うと良好 に動作します。 これは従来型の Royer 方式のトランスでは 無いため、下記のトランスのご使用を推奨 します。 TOKO BLC103B（添付仕様書参照） Monolithic Power Systems 5of７ Version 1 Sep.1999 Monolithic Power Systems, Inc レイアウト上の注意事項 AN-01 できます。特にパワーグラウンドピンの 8,9,12 そして 13 ピンです。 グラウンドのトレースは使用される部品が 公差の範囲でばらついてもモジュール全体 不要な電力ロスが起こらないようにトラン として再現性良く正しく動作するように注 スの下には幅の広い配線は行わないように 意深く行わなくてはなりません。 します。この影響の計測は、たとえフェラ いくつかの配線部及び部品では比較的大き イトが磁力線の全てを包含しているように な過渡電流が流れる為、グラウンド線はこ 見えていたとしても導電パネルにモジュー の電流を充分に流せなくてはなりません。 ルを実装した後で行います。 デモボードのレイアウトを参考にしてくだ さい。 バイパスキャパシタはグラウンドの配置に 応じて注意深く配置するようにします。デ MP1010 の熱抵抗はパッケージの端子のラ モ基板を参考にしてください。 ンドを充分に広くすることで極端に小さく ＊注；本アプリケーションノートの内容は変更される可能性が有ります。 最新の資料、データの入手は下記へお問い合わせください。 問い合わせ先： マイクロテック（株）マーケテｲング１部 電話；03-5300-5535 FAX；03-5300-5530 住所；〒168-0063 東京都杉並区和泉 2-7-5 Monolithic Power Systems 6of７ Version 1 Sep.1999 Monolithic Power Systems, Inc AN-01 図 3 アプリケーション回路例 R1 R3 Q1 C4 C2 C10 C3 C9 C5 J1 C6 4 3 2 1 C7 D1 C1 C11 PGnd BstR PGnd BstL OutR PGnd PGnd OutL Vdr VCC Vref comp J2 C8 T1 1 2 MP1010 VCC Vdr Enable U1 Test AGnd Bright ISense open lamp C8a C14 D2 C13 R2 C12 部品表一覧 Item Quantity Reference Part 1 1 C1 10uF 25V 2 1 C2 1uF 10V Y5V 3 1 C3 4.7nF 10V X7R 4 1 C4 1uF 10V Y5V 5 2 C5,C12 100nF 6 2 C13,C6 1uF 7 3 C7,C9, C14 8 1 C8,C8a 470nF 9 1 C10 5.6nF 10V X7R 10 1 C11 15pF 3KV 11 2 D2, D1 BAV99L 12 1 JP1 4 HEADER 13 1 J1 CON2 14 1 Q1 2N3904 15 2 R1, R3 1M 16 1 R2 43 17 1 T1 TOKO 866 TN 1040 or FDK 9mm27/2500 18 1 U1 MP1010 19 1 F1 FUSE 2A 32V Monolithic Power Systems 10V Y5V 25V Y5V 10nF 16V 16V X7R 7of７ Version 1 Sep.1999