AN-9744 スマート LED ドライバー IC、PFC 機能内蔵型

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AN-9744
スマート LED ドライバー IC、PFC 機能内蔵型
概要
FL7701 は、連続電導モード (CCM) で運用される降圧
コンバータートポロジー用の PWM ピーク電流コント
ローラーで、デジタル制御アルゴリズムを使った高性
能 PFC 機能を備えています。FL7701 は、高電圧スイ
ッチングデバイスを使用した電流ソースでもある内蔵
型自己バイアス回路を持ちます。HV ピンへの入力電
圧が 25V から 500V の時、FL7701 は VCC ピンで
15.5 VDC を保持します。FL7701 はまた、安定的な運
用のために UVLO ブロックを備えています。VCC 電圧
が VCCST+ 以上に達した時に、UVLO ブロックは運転
を開始します。VCC が VCCST- まで低下した時、IC 運
転は停止します。このアプリケーションノートは、
FLS0116 にも対応している事にご留意ください。
これは FL7701 と同じ特徴や性能を持つ高機能 LED
照明用ドライバーですが、内蔵式 1A、500V MOSFET
を備えています。
DC 電源が IC に接続された場合、内部リファレンスが
ただちに DC 波形に変化します。内部 DAC_OUT リフ
ァレンスシグナルは VCC 電圧に従って変化します。
DAC_OUT シグナルと内蔵クロック(CLK_GEN) を使
って、FL7701 は自動でデジタルリファレンスシグナ
ル、DAC_OUT を作成します。高すぎるコンデンサー
値が VCC に接続された場合、VCC 電圧は AC 入力電
圧バレー領域の間、低下しない場合があります。
ZCD_OUT シグナルは正常に作動せず、IC は異常内部
リファレンスシグナルを示します。通常の作動順序に
関しては図 2 を参照してください。この異常な内部リ
ファレンスシグナルは、LED 灯を点滅させます。
ソフトスタート機能
FL7701 は、IC スタートアップ時の突入電流を軽減す
る内蔵式ソフトスタートを備えています。IC が作業を
ZCD による内部デジタルリファレンス開始するとき、その内部リファレンスは約七回転の間、
ゆっくりと規定レベルまで増加します。この過渡期の
ヒステリシスは、入力電圧がノイズの多い環境や不安
後、内部リファレンスは一定の DC レベルで固定され
定な状態の時の IC の安定した動作のために用意されて
ます。図 3 を参照してください。この過渡期の間、IC
います。FL7701 には、AC 入力状態のための「スマー
は連続的に VCC ピンから入力位相情報を探し続けま
ト」内蔵ブロックが備えられています。50Hz または
す。IC が VCC ピンからの位相情報の検知に成功する
60Hz の AC 電源が装着された場合、IC は自動的に内
と、IC は自動的に AC 入力電圧に似た形を辿ります。
蔵された一定の過渡時間で内部リファレンスを変更し、図 4 を参照してください。成功しなければ、IC は
入力状況に合わせた調節をします。
DC リファレンスレベルになります。
Vsup
D1
Drain Voltage,Vdrain
+ VLED -
Iline
LED Load
L
VCC
VSUP_SEN
DAC
C
IL
VSUP_ SEN
FL7701
ZCD_OUT
HV
HV
Device
VCC
DAC: Digital to Analog
HV Device : High-Voltage Device
ZCD_ OUT
DAC_OUT
Driver
S
OUT
Isw
Q
Reference
R
CS
CLK_ GEN
DAC_ OUT
GND
図 1.
FL7701 の基本ブロック
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Gate Voltage,VG
図 2.
FL7701 運用
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VCC ピンで正確かつ信頼性を保ったまま入力電圧位
相を計算するために、FL7701 はデジタル技術 (シグマ
/デルタ変調/復調) を使用します。このデジタル技術を
完了したのち、FL7701 は図 6 に示されるように、入
力電圧と同じ位相の新たなリファレンスを持ちます。
VRECTIFIED
time
ILED
Sine wave generation
(when PFC function is enabed.)
time
図 3.
DC 入力条件
Constant reference generation
(when PFC function is disabled.)
ZCD_OUT
Soft change period
VRECTIFIED
Reference
Vp
time
ILED
Vp / 2
図 6.
このシグナルは、検出回路から最終コンパレーターと
電圧情報に入ります。ピン 1 が比較されます。結果と
して、FL7701 は高力率を備え、図 6 で示されている
ように、DC 入力環境で普通のピーク電流コントロー
ラーとして運用できます。AC 入力モードと DC 入力
モードの関係は 2 です。
time
図 4.
AC 入力条件
内部力率 (PF) 機能
FL7701 アプリケーション回路は、ブリッジダイオー
ド後の電圧整流に入力電解コンデンサーを使用しませ
ん。このシステムの設計は高パルス状の入力電流をも
たらすためです。このパルス状電流は多くの調波成分
を含んでいるので、システム全体として高い PF を保
持できません。高い PF 性能を得るために、FL7701 は
違ったアプローチを使います。
出力周波数プログラミング
FL7701 は RT 抵抗器か、開放条件下の RT ピンを使
用して出力周波数をプログラムする事ができます。
FL7701 は、RT ピンが開放されたままの場合、45kHz
前後の一定の出力周波数を持つ事ができます。システ
ムの信頼性を高めるために、RT 開放条件では 100nF
以下の小容量コンデンサーが推奨されます。出力周波
数と RT 抵抗器の関係は以下の通りです。
FL7701 は、追加の検知ピンやその他の部品を必要と
しない、高度な内蔵 PFC 機能を持ちます。
IC は、供給電圧安定のための VCC ピンをバルクコン
デンサー上に必要としません。
FL7701 は、ゼロクロス検知 (ZCD) シグナル用の VCC
変更ポイントを検知します。これは DAC_OUT 生成用
の内部タイミングシグナルです。通常、VCC ピンに接
続されたコンデンサーは、電圧安定のために使用され、
低域フィルターやノイズキャンセルフィルターの役割
を果たします。これは、たとえ他のピンにノイズがあ
ったとしても VCC ピンで安定したタイミングシグナ
ルを受信する能力を増強します。
Vbridge
fOSC 
2.02  109 [Hz]
RT
(1)
出力開放回路保護
推奨される接続方法は図 7 に示されています。
FL7701 は、高電圧プロセスデバイスを使って自己バ
イアスする高電圧パワーサプライ回路を備えています。
LED をチップに接続しないと、IC は起動できません。
BD
EMI filter
LED
L1
Bridge Diode
Output Voltage
Input Voltage
Peak
内部リファレンス
HV
JFET Output
Voltage
D2
ADIM
C2
C1
OUT
RT
VCC
t
FL7701
R3
Vdd Charging Voltage
VCC
L
D1
C3
L2
JFET Output Voltage
R1
CS
C4
GND
R2
t
ZCD
図 7.
t
LED 開放条件
DAC_OUT
t
図 5.
デジタル PFC 回路
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η がシステムの効率である時、VIN(最大) が最大入力電圧、
VF が LED の順降下電圧、そして n が直列接続の LED
数になります。
インダクター短絡回路保護
FL7701 は異常過電流保護 (AOCP) 機能を備えていま
す。LED 電流検知抵抗器の電圧が 2.5V より高い場合
は、リーディングエッジ-ブランキング (LEB) 時間
350ns 以内だったとしても、IC は作動を停止します。
VCC
例えば、VIN(最大) = 220 V、η=85% で、十個の LEDs
が直列接続されている場合、最小デューティ比は:
Dmin 
HV
JFET
VCC
10  3.5
 0.132
0.85  2  220
ZCD
UVLO
time
ステップ 2: 最大デューティ比
ステップ 1 と同じように、次のように最大デューティ
比を計算します。
ZCD
DAC
TSD
Soft start
Digital Block
RT
S
Oscillator
Dmax 
OUT
Q
R
Reference
+
nVF
(3)
  Vin(min)
CS
LEB
Leading Edge
Blanking
GND
60
+
AOCP
[%]
2.5V
Duty
50
図 8.
AOCP 機能
40
アナログ調光機能
30
アナログ調光 (ADIM) 機能は、ADIM ピンの電圧レべ
ルを変化させる事によって出力 LED 電流を調節しま
す。
20
10
0
アプリケーション情報
0
FL7701 は、LED アプリケーションのために設計され
た、革新的な降圧コンバーター制御 IC です。DC およ
び AC 入力電圧で制限無く作動し、その入力電圧レベ
ルは最大 308 VAC です。
図 9.
ターゲットデザイン仕様書
アイテム
システム
Vin (min) 
備考
スペック
45 kHz
出力電圧
35
VF=3.5 V, n=10
出力 LED 電流 RMS
0.3
ILED(rms)
0.5
入力電圧 (最大)
220
ILED
nVF
  Dmax

nVF
  Vin (max)
DCM
(4)
311V
Expected min. input voltage (CCM) :
Vin(min)=82.35V
DCM
(ピーク)
IAC(rms)
time
Current Limit on the
DAC reference
Average
LED Current(ILED(ave)
∆i
CCM
Dmin
(2)
1-Dmin
ton
図 10.
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[ms]
35
 82.35[V ]
0.85  0.5
ステップ 1: 最小デューティ比
FL7701 は、2% から 50% までの一定内部デューティ
比領域を持ちます。この領域は入力電圧とストリング
内の LEDs 数によって決定されます。
Dmin 
15
デューティ変動対時間
Input voltage
周波数
出力 LED 電流ピーク
10
FL7701 は、低調波不安定性を防止するため、50% の
最大デューティサイクルを備えています。最小入力電
圧が 50% デューティ比に入ると仮定します。方程式
(2)を使って、CCM オペレーションのための最小入力
電圧を再計算してください。
Table 1 は FL7701 デバイスを使用したデザインター
ゲットの一例です。
Table 1.
5
time
toff
推定波形
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ステップ 3: 最大オン/オフ時間
FL7701 は、低調波不安定性を防ぐために、0.5 前後
の内部一定最大デューティ比を持ちます。最大オン/オ
フ時間を仮定します。例えば、45kHz 運用条件下での
最大オン/オフ時間は以下になります:
t on  t off 
ステップ 5: インダクタンス
ステップ 4 の結果を使って、インダクターの最小イン
ダクタンス値の式をもう一つ求めます。
L
(VF  n)(1  Dmin ) 3.5  10  (1  0.132)

 4.5 mH 
f s  i
45000  0.1516
(7)
1
1

 11.11 [μs]
2 f s 90000
ステップ 4: LED 電流リップル、∆i を計算します。
図 11 は FL7701 アプリケーションの通常の LED 電流
波形を示します。より安定した、あるいはリニア LED
電流には、CCM で運用してください。
Current peak at LED current
maximum point (ILED(peak))
Current peak at LED average
current maximum point
(ILED(ave.peak))
Average
LED Current (ILED(ave))
DCM
∆i
0.5∆i
DCM
0.5∆i
図 12.
電流リップル (∆I) 対インダクタンス
CCM
Current min at LED current
maximum point (ILED(min))
Dmin
1-Dmin
ton toff
図 11.
LED 電流のターゲット波形
図 11 の通常の LED 電流波形を使い、次のような式を
求めましょう。
i または
2
i

2
I LED ( peak)  I LED ( ave. peak) 
I LED (min)  I LED ( ave. peak)
(5)
図 13.
ステップ 6: 検知抵抗
電流検知抵抗値は以下のように決定されます:
Table 1 において、求められる平均 LED 電流は、常に
IC 自体が限定する LED ピーク電流値 ILED( ピーク )=
500 mA と LED 最小電流の間に位置します。この特性
を使って、求められる出力電流リップル領域のインダ
クター値 (∆i) は:
i  2( I LED ( peak)  I LED ( ave. peak) ) または
i  2( I LED ( ave. peak)  I LED (min) )
推定波形
R
VCS
0.5
[]

1
I LED ( peak) 0.5
(8)
ピーク電流条件での電力消費を考慮する場合も、電源
定格は 0.25W 以下です。
ステップ 7: 周波数設定抵抗器
1
Rt 
 2.0213  109  44.919 [k]
f sw
(6)
(9)
周波数設定抵抗器 Rt が接続されていない場合、シス
テムは IC のデフォルトスイッチング周波数である
45kHz で作動します。
I LED ( ave. peak)
以下の場合 I
LED ( rms ) 
2
Table 1 から、ターゲット LED 電流 rms は 0.3A と定
義され、LED 電流ピークは 0.5A に設定されます。
i  2( I LED ( peak)  2  I LED ( rms) )
 2(0.5  2  0.3)  0.1516 [ A]
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図 17 と図 18 は、入力ソースの高域周波数から低域、
そしてより高い周波数への変化を辿る FL7701 の性能
を示します。
システム認証
図 14 は FL7701 システムの推奨回路をほんの数点の
コンポーネントで示します。
EMI filter
BD
V ドレイン [100V/div]
L1
LED
D1
L
HV
D2
ADIM
C2
C1
OUT
RT
VCC
FL7701
R3
C3
L2
図 14.
ILED [0.2A/div]
R1
CS
C4
GND
R2
テスト回路
図 15 と図 16 は、220V、LEDs 十個での DC および
AC 入力条件の、FL7701 アプリケーションからのス
タートアップ波形を表示します。
図 17.
VCC [5V/div]
V ドレイン [100V/div]
ILED [0.2A/div]
入力ソースの変化: 45Hz から 100 Hz
V ドレイン [100V/div]
ILED [0.2A/div]
図 18.
図 15.
入力ソースの変化: 100Hz から 45Hz
図 19 は、変化する VADIM でのアナログ調光性能を示
します。出力 LED 電流は制御電圧に従って変化しま
す。
DC におけるソフトスタート性能
入力条件
VCC [5V/div]
V ドレイン [100V/div]
ILED [0.2A/div]
図 19.
図 16.
VADMIN 対LED 電流
AC におけるソフトスタート性能
入力条件
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図 20 は、AOCP 性能の通常機能を示します。FL7701
は、出力 LED 電流をリーディングエッジ-ブランキン
グ (LEB) で、電流ノイズを無視し、パルスバイパルス
で制限します。IC は出力 LED 電流をパルスバイパル
スで制限しますが、インダクターショートの際の突入
電流を防ぐ事はできません。このタイプの異常状態を
防止するために、IC はシステムを保護する AOCP 機
能を備えています。
設計のヒント
LED 電流変化
図 22 は、高 PF を達成するための推奨回路を示しま
す。この条件では、LED 電流は半サイクル期間毎に 0
になります。
VDD [3V/div]
ILED [0.2A/div]
VDRV ドレイン [100V/div]
VCC [10V/div]
VDC [40V/div]
VCS [1V/div]
V ゲート [7V/div]
図 20.
図 22.
AOCP 機能
通常波形
これに合わせて設計するには、図 23 に示されるよう
に、LED 負荷と並列に電解コンデンサーを加えます。
この増設されたコンデンサーがより真に近い DC LED
電流を供給します。
図 21 は、FL7701 システムの通常波形を示します。
LED 電流は、入力電圧ソースと整流正弦波形と同じ位
相を持ちます。
VDD [3V/div]
ILED [0.1A/div]
V ドレイン [100V/div]
Electrolytic Capacitor
EMI filter
BD
LED
FRD
AC INPUT
L
HV
ADIM
OUT
RT
VCC
FL7701
CS
GND
図 23.
図 21.
VDD [3V/div]
V ゲート [7V/div]
ILED [0.2A/div]
VDRAIN [100V/div]
通常運用波形
図 24.
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電解コンデンサー付回路
バルクコンデンサーの通常
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アナログ調光中の ZCD エラーによる LED 点滅
の防止
最小調光領域
アナログ調光ピンの運用領域は 0.5V~3.5V です。dc
シグナルが ADIM ピンに注入されていないと、このピ
ンは内部で 3.5V まで引き上げられ、システムは最大
明度で作動します。
FL7701 の HV ピンは通常、EMI フィルター部品の後
ろに接続されます。HV ピンの波形は EMI フィルター
の L−C 共振および EMI コンデンサーの放電に起因す
る歪みを持ちます。これは、図 25 に見られる様な
VCC 波形の歪みや ZCD 検知エラーに繋がる事があり
ます。異常な波形は LED 灯の点滅を起こす事があり
ます。
ADIM ピンの電圧が 0.5V 以下の場合、FL7701 は最小
ターンオン時間で作動し、それが図 27 に示されるよ
うに最小調光電流を決定します。
図 27.
アナログ調光カーブの例
システムの信頼性を増強
図 25.
アナログ調光時の LED 点滅
ノイズの多い条件でのシステムの信頼性を増強するた
めに、 100pF 以下の小型コンデンサーを RT 及び
ADIM ピンに付加します。通常の条件では、これらの
部品は不要です。
LED 点滅の原因は以下の通りです;
EMI フィルターが定格出力電力に最適化され
ています。アナログ調光使用時、出力電力が
減尐しています。出力電力が減尐するに従い、 PCB レイアウトガイドライン
EMI フィルターコンデンサーが完全に放電さ
れていません。
PCB レイアウトが重要なのは、一般アプリケーショ
ンがランプ用アプリケーションを改造したものになり、
2. EMI フィルターコンデンサーが完全に放電さ
製品サイズを小さくする必要があるからです。IC はノ
れているとき、VCC 電圧はドロップポイント
を持たず、これが ZCD エラーを発生させます。イズに影響を受ける事があるので、注意深く PCB レ
イアウトガイドラインに従ってください。
3. ZCD エラーが発生すると、FL7701 は LED ス

外部給電パス上の IC を位置づけてください。
トリングが電流偏差による点滅を起こしてい
る次の 6 整流ラインサイクルで DC モード運

電力 GND とシグナル GND を分けてください。
転に変化します。

VCC コンデンサーは VCC ピン付近に位置づけ
FL7701 がアナログ調光に使用されている時の ZCD エ
られているはずです。
ラーを防止するために、HV 接続ポイントは図 26 に示
Powering Path
されているように、直列接続ダイオード経由でドレイ
ン側から入力側に変更されなければいけません。
1.
Capacitor for VCC pin
LED
IC
One point GND
FLS0116
Fuse
500mA/250V
CS
BD
MB6S
VCC
PGND
DRAIN

HV
RT
SGND
図 28.
GND
ADIM
LED レイアウト例
Analog
Dimming Signal
with MCU
図 26.
FLS0126 アプリケーションアナログ調光付
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関連データシート
FL7701-スマート LED 照明ドライバーIC、PFC 機能内蔵型
FLS0116-MOSFET 統合型スマート LED 照明ドライバー IC、PFC 機能内蔵
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