DC/DC コンバータアプリケーションノートリコーのDC/DCコンバータに関する技術説明です。はじめにリコーのDC/DCコンバータは低電圧から高耐圧、小電流から大電流までと幅広くラインアップしています。下図のように昇圧、降圧、および、複合製品があり、高精度及び高効率を実現しています。 PWM 制御と VFM 制御 DC/DCコンバータの制御方式には、PWM制御とVFM制御があります。PWMとはPulse Width Modulationの略でパルス幅変調方式、VFMとはVariable Frequency Modulationの略で周波数可変変調方式のことです。（VFMはPFM：Pulse Frequency Modulation とも呼ばれます） PWM制御型発振周波数は一定で、パルス幅（ON時間）が負荷により変化します。 VFM制御型パルス幅（ON時間）は一定で、発振周波数が負荷により変化します。それぞれ下表のような特長があります。軽負荷時発振周波数パルス幅（デューティ）効率リップル電圧 VFM 制御型変動一定良い大きい困難 PWM 制御型一定変動悪い小さい容易 ∗1 ノイズ対策∗ ノイズ対策：VFM制御型は負荷に応じて発振周波数が変動します。ノイズは発振周波数によって変化するのでノイズ対策が困難な場合があります。PWM制御型は発振周波数が一定のため、ノイズの周波数も一定のことが多くノイズ対策が比較的容易です。リコーのDC/DCコンバータには、PWM制御のみで動作する製品と、VFM制御（軽負荷時）とPWM制御（重負荷時）を負荷に応じて切替えて動作する製品があります。 RP506K 効率対出力電流 1 DC/DCコンバータ RP506K331D/E/F VIN=4.3V, PWM/VFM VIN=5.0V, PWM/VFM VIN=4.3V, forced PWM VIN=5.0V, forced PWM 1 10 100 1000 Output Current IOUT (mA) 10000 Efficiency η (%) Efficiency η (%) RP506K331A/B/C 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 VIN=4.3V, PWM/VFM VIN=5.0V, PWM/VFM VIN=4.3V, forced PWM VIN=5.0V, forced PWM 1 10 100 1000 Output Current IOUT (mA) 10000 DC/DC コンバータ出力トランジスタの有無リコーのDC/DCコンバータの出力端子には出力トランジスタを内蔵したものと、内蔵していないものがあります。前者にはLx 端子、後者にはEXT端子があり、それぞれ、DC/DCコンバータ、DC/DCコントローラと呼んでいます。（1製品で両タイプある場合にはDC/DCコンバータと表記しています）外付けの出力トランジスタにはパワーMOSFETを使用してください。重負荷時の効率を重視する場合にはON抵抗の低いMOSFET を、軽負荷時の効率を重視する場合にはゲート容量の小さいMOSFETを使用してください。最大ドレイン電流が最大コイル電流（ILmax）より高いMOSFETを使用してください。 RP505Kxx1A/B R1224Nxx2E/F/G/H/L/M （出力ドライバトランジスタ内蔵タイプ）（出力ドライバトランジスタ外付けタイプ） PVIN Ramp Compensation AVIN Current Feedback Thermal Shutdown UVLO Current Detector Mode Control MODE EXT 4 - OSC Amp + + PGND Chip Enable CE 5 3 VOUT 1 CE LX Switching Control Vref Soft Start OSC VIN Vref PWM/VFM CONTROL Soft Start VOUT Chip Enable Protection + UVLO AGND Vref - 2 GND 出力トランジスタを内蔵した製品 RN5RK R1200x R1201N R1202x R1203x R1204x R1205x R1206N R1207N R1208K R1210N R1213K R1214Z R1218N R1232D R1240x R1242S R1243x R1245x R1270S R1283K R1286K RP502x RP503x R1287x R1290K R1293K R5220K RP400x RP401x RP402x RP500x RP501K RP504x RP505K RP506K RP507K RP508K RP550K RP600K RP601Z RP901K R1212D R1215D R1223N R1224N R1225N 出力トランジスタが外付けの製品 RN5RK R1210N R1211x 出力電圧の設定リコーのDC/DCコンバータには出力電圧がIC内部で固定されているものと、外部抵抗で設定する外部設定タイプがあります。出力電圧がIC内部で固定されている製品にはVOUT端子が、外部設定タイプの製品にはVFB端子があります。外部設定タイプの場合には位相補償やノイズのまわり込みに注意して部品選定をしてください。 VIN RP505Kxx1A/B RP505K001C （出力電圧 IC 内部固定タイプ）（出力電圧外部設定タイプ） PVIN VOUT LX L 2.2μH CIN 4.7μF AVIN VOUT RP505K Series COUT 10μF VIN PVIN VOUT LX L 2.2μH CIN 4.7μF R1 C1 COUT 10μF VFB AVIN RP505K Series CE AGND CE AGND MODE PGND MODE PGND R2 出力電圧が IC 内部で固定されている製品 RN5RK R1210N R1223N R1224N R1225N R1232D R1286K R1287x R5220K RP400x RP401x RP500x RP501K RP502x RP503x RP504x RP505K RP506K RP508K RP600K RP601Z RP901K RP402x 出力電圧を外部設定可能な製品 R1200x R1201N R1202x R1203x R1204x R1205x R1206N R1207N R1208K R1211x R1212D R1213K R1214Z R1215D R1218N R1224N R1232D R1240x R1242S R1243x R1245x R1270S R1283K R1286K R1287x R1290K R1293K RP400K RP401K RP402x RP505K RP506K RP507K RP550K RP600K DC/DCコンバータ 2 ダイオード整流と同期整流リコーの降圧DC/DCコンバータにはダイオード整流型と同期整流型があります。ローサイド側のスイッチにショットキーダイオードを使用するのがダイオード整流型でMOSトランジスタを使用するのが同期整流型です。ハイサイド/ローサイドMOSトランジスタはDC/DCコンバータに内蔵されていることが多く、リコーのほとんどの同期整流型DC/DCコンバータでも内蔵されています。（R1242Sはローサイド外付け同期整流型です） R1 3.75kΩ CSPD 470pF R1240x RP500x （ダイオード整流型）（同期整流型） VOUT=3.3V VIN CIN 10μF VIN BST VIN CBST 100nF L4.7μH R1240x R2 1.2kΩ CIN 10μF CE COUT 10μF GND CE VOUT LX 4.7μH LX VFB VIN AGND COUT 10μF VOUT PGND "H"active ダイオード整流型降圧 DC/DC コンバータ R1223N R1224N R1225N R1240x R1243x R1245x R1270S R1283K R1290K R1293K RP502x RP503x RP504x 同期整流型降圧 DC/DC コンバータ R1232D R1242S R1286K R1287x R5220K RP500x RP501K RP505K RP506K RP507K RP508K RP550K RP601Z RP901K 低電圧誤動作防止機能（UVLO）とは DC/DCコンバータを安定動作させるため、UVLO（Under Voltage Lock Out）機能を搭載した製品があります。UVLO機能とは電源投入時にDC/DCコンバータの入力電圧（VIN）がUVLO解除電圧に達するまでは内部回路を準スタンバイ状態にし、誤動作を防止する機能です。また、動作中に電源電圧が低下し、UVLO検出電圧を下回った際にも内部回路を準スタンバイ状態にして誤動作を防止します。電源電圧が上昇しUVLO解除電圧を上回るとUVLOは解除されます。低電圧誤動作防止機能（UVLO）内蔵の製品 R1200x R1201N R1202x R1203x R1204x R1205x R1206N R1207N R1211x R1213K R1214Z R1215D R1218N R1224N R1225N R1245x R1270S R1283K R1286K R1287x R1290K RP502x RP503x RP504x RP505K RP506K RP507K R1212D R1232D R1240x R1242S R1243x R1293K R5220K RP500x RP501K RP508K RP550K RP901K RP601Z ソフトスタート機能とはソフトスタート機能のイメージソフトスタートあり Voltage ソフトスタートなし Voltage ソフトスタート機能とは、DC/DCコンバータの起動時に、過大な突入電流を防止し、オーバーシュートを起さないようにする機能です。DC/DCコンバータの立ち上がりをなだらかにするように、立ち上がり時間（ソフトスタート時間）を設けています。このソフトスタート時間はIC内部で固定されている製品と、ソフトスタート時間設定端子による外部設定や後述の最大デューティの設定とあわせた外部設定が可能な製品もあります。 Time Time ソフトスタート機能内蔵の製品 R1200x R1201N R1202x R1203x R1204x R1205x R1206N R1207N R1211x R1213K R1214Z R1215D R1223N R1224N R1225N R1232D R1240x R1242S R1243x R1245x R1270S R1283K R1286K R1287x R1290K R1293K R5220K RP400x RP401x RP402x RP500x RP501K RP502x RP503x RP504x RP505K RP506K RP550K RP600K RP901K 3 DC/DCコンバータ R1212D DC/DC コンバータ最大デューティ外部設定とはリコーのDC/DCコンバータには最大デューティをDTC端子に接続する抵抗で外部設定可能な製品があります。DTC端子に印加する電圧が高ければ最大デューティが大きくなり、低ければ最大デューティが小さくなります。また、DTC端子に外付けコンデンサをつけてDTC端子電圧をゆっくり立ち上げることによりソフトスタートが可能です。コンデンサ容量を大きくすることで最大デューティ0%からソフトスタートさせ、突入電流を抑制しながら出力電圧を立ち上げることができます。ソフトスタート時間はコンデンサの容量で調整可能です。 R1215D SD L 8 VIN C1 NMOS EXT 1 4 DELAY VFB C4 R1 C3 5 C2 LOAD R3 R2 2 GND AMPOUT 7 C5 C6 6 VREFOUT R4 DTC 3 R5 R6 C7 最大デューティを外部設定可能な製品 R1212D R1215D R1290K R1293K 外部位相補償とは DC/DCコンバータの位相補償を外付け部品で設定可能な製品があります。AMPOUT端子（R1270SはER、EC端子）に外付けコンデンサと抵抗を接続して位相補償を行うことができます。内部位相補償の製品は製品仕様における全ての動作条件で安定動作をさせるため、位相補償の設定条件は安定性を重視しており、動作条件によっては応答性が最適とならない場合があります。また、ご使用いただける部品（コイル、出力コンデンサ）について制約があります。これに対し、外部位相補償可能な製品ではご使用条件（入力電圧、出力電圧、出力電流、コイル、出力コンデンサ、発振周波数）に対して、常に最適な安定性と応答性を実現することができます。なお、外部位相補償に使用するコンデンサ、抵抗の値はそれぞれの製品仕様書に記載された推奨値や式を元に設定し、ご使用条件において確認、調節を十分に行ってください。 R1215D SD L C1 8 VIN EXT 1 4 DELAY VFB 5 NMOS C4 R1 C3 C2 LOAD R3 R2 2 GND AMPOUT 7 C5 C6 6 VREFOUT R4 DTC 3 R5 R6 C7 外部位相補償可能な製品 R1211x R1212D R1213K R1215D R1270S R1290K R1293K DC/DCコンバータ 4 出力過電圧保護回路（OVP）とは OVP（Over Voltage Protection）とはVOUT端子電圧を監視し、OVP電圧に達すると発振を停止する回路です。 VOUT端子電圧が下がると発振は再開しますが、VOUT端子電圧がOVP電圧を超えて上昇する要因が取り除かれないとOVP動作を繰り返し、VOUT端子電圧が上下を繰り返します。 R1205N823B OVP 動作時出力波形（OVP 検出電圧：TYP. 25.0V、OVP 解除電圧：TYP. 23.2V） Output Voltage VOUT (V) 27 26 25 24 23 22 21 0 10 20 30 Time t (ms) 40 50 出力過電圧保護回路（OVP）内蔵の製品 R1200x R1201N R1202x R1203x R1204x R1205x R1206N R1207N R1208K R1214Z R1218N 保護回路（ラッチ型/リセット型（Hiccup 型）/フォールドバック型）とは各保護回路の過電流保護時の動作例リコーのDC/DCコンバータの保護回路にはラッチ型、リセット型（Hiccup型）とフォールドバック型があります。・ラッチ型では、制限を超える高負荷が保護遅延時間以上続くと、パワーMOSFETをOFF状態でラッチします。保護解除はCE端子で一度ICをスタンバイ状態にする（CE リセット）、もしくは、電源をUVLO以下に下げる再投入によって行います。ラッチ型の保護遅延時間はDELAY端子などに接続したコンデンサ容量によって設定できるものもあります。・リセット型（Hiccup型）は制限を超える高負荷や、規定された異常を検出すると、出力をオフした後、自動的にソフトスタートを繰り返します。高負荷などの要因がなくなると自動的に異常状態から復帰します。リセット型（Hiccup型）の保護遅延時間はIC内部で固定されているものもあります。・フォールドバック型は出力電圧が規定値まで低下すると発振周波数を下げ、最小ONデューティを小さくすることによって出力電流を制限します。フォールドバック保護がかかる要因が解消すると自動復帰します。ラッチ型保護回路内蔵の製品 R1211x R1212D R1213K R1215D R1223N R1245x R1270S R1283K R1286K R1287x R1290K RP500x RP501K RP502x RP503x RP504x RP505K リセット型（Hiccup 型）保護回路内蔵の製品 R1223N R1224N RP901K フォールドバック型保護回路内蔵の製品 R1240x 5 R1242S DC/DCコンバータ R1243x R1245x R1270S R1225N R1232D R1240x R1242S R1243x R1293K R5220K RP401x RP402x RP506K RP550K DC/DC コンバータシーケンス制御について R1283KやR1290Kなどではソフトスタート機能や遅延機能、オートディスチャージ機能などによって立ち上がり/立下りシーケンスの制御が可能です。LCDパネルやCCDセンサなどのために電源の立ち上げ、立ち下げ順序を設定することができます。 LCD パネルに適切なシーケンス制御が可能 CCD センサに適切なシーケンス制御が可能シーケンス制御可能な製品 R1283K R1286K R1287x R1290K RP600K RP901K シャットダウン機能についてダイオード整流タイプの昇圧DC/DCコンバータの入力と出力はインダクタとダイオードを介して接続されているため、ICがスタンバイ状態でも出力には電源電圧程度の電圧が出力されます。このため出力電圧をゼロにする必要がある場合にはFETなどで遮断する必要がありました。同期整流タイプの昇圧DC/DCコンバータRP402xシリーズはダイオードの代わりにFETを内蔵しており、シャットダウン機能有無を選択することが可能です。 LX VIN LX CE VOUT VOUT CE GND OFF SWITCHING CONTROLLER GND RP401x RP402x R1200x/R1202xシリーズはダイオードの代わりにnpnトランジスタを内蔵しており、シャットダウン機能を有しています。 R1213Kシリーズは外付けのPch MOSFETをFLAG端子で制御することでシャットダウンすることができます。シャットダウン機能内蔵の製品 R1200x R1202x R1213K RP402x DC/DCコンバータ 6 LED 高速輝度調整チップイネーブル端子にPWM信号を入力することでLEDの輝度調整ができます。チップイネーブル端子入力のPWM信号のデューティによりLEDの電流を制御でき、信号の"H"デューティをHdutyとすると、LEDの電流は下式の値となります。 CE ILED=Hduty × VFB / R1 Hduty VFB 高速輝度調整が可能な下記製品ではPWM信号の周波数を200Hz～300kHzの範囲で使用可能です。 20kHz以下のPWM信号で輝度調整する場合、コイル電流の増加・減少が可聴帯域の範囲となるため音として認識される場合があります。その場合には高い周波数のPWM信号で制御して下さい。 R1 LED 高速輝度調整可能な製品 R1201N R1202x R1203x R1204x R1205x R1206N R1207N R1208K R1214Z 強制 PWM 制御とは通常PWM方式では、軽負荷時にコイル電流の逆流を防止させるよう動作しますが、強制PWM方式はコイル電流を逆流させることで不連続モードをなくしています。そのため、軽負荷時や入出力電圧差が小さい場合においても、不連続モードに入ることなく PWM動作が可能です。また、強制PWM方式ではコイル電流の逆流が生じますが、逆流した電流は再び次の周期で出力側に流れるので電流を無駄に消費するわけではありません。通常 PWM モード強制 PWM モードリコーの強制PWM制御のDC/DCコンバータはPWM/VFM切替制御も可能です。軽負荷時に消費電流・効率を重視する場合は PWM/VFM自動切替モードを選択すると軽負荷時にVFM制御で動作し高い効率で動作します。また、軽負荷時にリンギングしないことや一定の周波数で動作することを重視する場合は強制PWM制御固定を選択し、強制PWM制御にてご使用ください。強制 PWM 制御の製品 RP402x 7 RP504x DC/DCコンバータ RP505K RP506K RP508K RP550K RP601Z 本ドキュメント掲載の技術情報及び半導体のご使用につきましては以下の点にご注意ください。 1. 本ドキュメントに記載しております製品及び製品仕様は、改良などのため、予告なく変更することがあります。又、製造を中止する場合もありますので、ご採用にあたりましては当社又は販売店に最新の情報をお問合せください。 2. 文書による当社の承諾なしで、本ドキュメントの一部、又は全部をいかなる形でも転載又は複製されることは、堅くお断り申し上げます。 3. 本ドキュメントに記載しております製品及び技術情報のうち、「外国為替及び外国貿易管理法」に該当するものを輸出される場合、又は国外に持ち出される場合は、同法に基づき日本国政府の輸出許可が必要です。 4. 本ドキュメントに記載しております製品及び技術情報は、製品を理解していただくためのものであり、その使用に関して当社及び第三者の知的財産権その他の権利に対する保証、又は実施権の許諾を意味するものではありません。 5. 本ドキュメントに記載しております製品は、標準用途として一般的電子機器（事務機、通信機器、計測機器、家電製品、ゲーム機など）に使用されることを意図して設計されております。故障や誤動作が人命を脅かしたり、人体に危害を及ぼす恐れのある特別な品質、信頼性が要求される装置（航空宇宙機器、原子力制御システム、交通機器、輸送機器、燃焼機器、各種安全装置、生命維持装置等）に使用される際には、必ず事前に当社にご相談ください。 6. 当社は品質、信頼性の向上に努めておりますが、半導体製品はある確率で故障が発生します。故障の結果として人身事故、火災事故、社会的な損害等を生じさせない冗長設計、延焼対策設計、誤動作防止設計等安全設計に十分ご留意ください。誤った使用又は不適切な使用に起因するいかなる損害等についても、当社は責任を負いかねますのでご了承ください。 7. 本ドキュメントに記載しております製品は、耐放射線設計はなされておりません。 8. 本ドキュメント記載製品に関する詳細についてのお問合せ、その他お気付きの点がございましたら当社又は販売店までご照会ください。弊社は地球環境保全の観点から環境負荷物質の低減に取り組んでいます。 Halogen Free 2006年4月1日以降、弊社はRoHS指令に適合した製品を提供しています。また、2012年4月1日以降は、ハロゲンフリー製品を提供しています。 ●お問い合わせ・ご用命は・・・弊社デバイスに関する詳しい内容をお知りになりたい方は下記へアクセスしてください。 http://www.e-devices.ricoh.co.jp/ 本ドキュメント掲載製品に関するお問い合せは下記宛てまでお願いします。 ●東日本地区〒 140-8655 東京都品川区東品川3-32-3 03（5479）2854（直） FAX 03（5479）0502 ●西日本地区〒 563-8501 大阪府池田市姫室町13-1 072（748）6262（直） FAX 072（753）2120