はじめにこのコースノートは、PI University の

コースノート
フライバック電源で最大電力が供給されない場合の対処
はじめに
このコースノートは、PI University のビデオコース「フライバック電源で最大電力が供給
されない場合の対処」に関するものです。このコースでは、無負荷時及び軽負荷時にはレギュ
レーション規格に達するが、出力負荷が大きいときにオートリスタートモードになるデザイン
のトラブルシューティング及び修理の手順を説明します。オートリスタートは、過負荷時や障
害発生時に回路を保護するために、Power Integrations の IC に組み込まれている機能です。
このコースを開始する前に、負荷をかけたときに電源の供給電力が最大とならないないこと
を、作成手順に従って確認しておきます。電源がオートリスタートに入らずに起動し、無負荷
時及び軽負荷時には出力電圧を制御できる必要があります。
必要な装置
このコースを学習するには、次の装置が必要です。
1. プログラム可能な AC 電源またはスライダッ
ク
2. デジタルマルチメーター数台 (出力電圧と
出力電流を測定するため、出力ごとに 2 台
用意してください)
3. 電子負荷
4. オシロスコープと、高電圧プローブ及び電流
プローブ
必要な装置
一般的な問題
電源が最大電力を供給できず、そのためオートリスタートに入る一般的な原因には、次のよう
なものがあります。
1. マルチ出力デザインで、1 つまたは複数の出力ダイオードが逆向きになっている
2. トランスの一次インダクタンスが仕様と一致していない
3. より小型の Power Integrations のデバイスが基板に取り付けられている
4. Power Integrations のデバイスのカレントリミットが不適切に設定されている
5. Power Integrations のデバイスのスイッチング周波数が不適切に設定されている
6. 入力整流コンデンサの値が低すぎる
7. クランプ、バイアスまたは出力ダイオードが故障している
8. 出力ダイオードまたはバイアス巻線ダイオードの逆回復時間が長すぎる
9. ドレインノードの容量が大きすぎる
これらの潜在的な要因それぞれについて、順に調べていきます。
PIU-105 (Rev. 11/09)
www.powerint.jp/PIUniversity
Power Integrations, Inc.
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1. マルチ出力デザインで、1 つまたは複数の出力ダイオードが逆向きになっている
デザインがマルチ出力である場合、すべての出力ダイオードが正しい向きに挿入されているこ
とをまず確認します。向きが正しくない場合、出力ダイオードを基板から取り外して新しい部
品に取り換えた後、再びデザインをテストしてください。
2. トランスの一次インダクタン
スが仕様と一致していない
トランスの一次インダクタンスの
値が PI Expert のデザイン結果
で指定されている値と一致してい
ることを確認します。フライバッ
クトランス内を流れる電力は、
インダクタンス、ピーク電流の 2
乗、及び周波数に比例します。
電力供給 = ½ x L x I2 x
f
出力ダイオードの向きが正しいことを確認する
L = 一次インダクタンス
I = 実効ピーク一次電流
f = スイッチング周波数
不連続動作モードのデザインでは、I はピーク
一次電流に等しくなります。連続動作モードの
デザインでは、実効ピーク一次電流は、MOSFET
オン時における初期電流の 2 乗とピーク電流
の 2 乗との差に等しくなります。
どちらのケースでも、一次インダクタンスが仕
様の最小値よりも非常に低い場合、出力に送ら
れる電力が制限されます。
不連続動作モードと連続動作モードの
ピーク電流の定義
一次インダクタンスが高すぎる場合、トランス
が飽和する可能性や、リーディングエッジブランキング時間後にターンオン電流が初期カレ
ントリミットを超える可能性があります。
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トランスの飽和による電流スパイク
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初期カレントリミットを超えている状態
最後に、使用する製品ファミリーによって
は、一次電流が必要なレベルに達する前
に、最大デューティサイクルリミットに
よってサイクルが終了される可能性があり
ます。
すべてのケースで、トランスの不適切な一
次インダクタンスによって出力に最大電力
電流が必要なレベルに達する前に
スイッチングが終了したサイクル
を送れなくなり、そのためにレギュレーシ
ョンを外れてしまいます。その結果、PI のデバイスはオートリスタートに入ります。
また、トランス巻線の極性も確認します。トランス巻線が逆向きに接続されていると、その巻
線はフォワード巻線と同じ構造になってしまいます。逆向きの巻線によって、電源がフライバ
ックコンバータとして機能しなくなり、出力に供給される電力が制限されます。
3. より小型の Power Integrations のデバイスが基板に取り付けられている
正しい Power Integrations のデバイスが基板に実装され
ていることを確認します。Power Integrations ファミリー
の同一パッケージ内のデバイスは、ピン配列と機能がすべ
て同じです。異なるのは、使用する MOSFET のサイズ、そ
れぞれのカレントリミット、及び電力容量のみです。この
ため、同一ファミリーの、より小型のデバイスを誤って使
用すると、その場合も電源は動作しますが、最大出力電力
は供給できません。正しくないデバイスが基板に実装され
ていることがわかった場合は、そのデバイスを正しいもの
TOPSwitch 製品ファミリーの仕様
に取り替えて電源を再びテストしてください。
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4. Power Integrations のデバイスのカレントリミットが不適切に設定されている
多くの Power Integrations のデバイスファミリーでは、カレントリミットをユーザーがプロ
グラムできます。たとえば、TOPSwitch-HX デザインに使用する X ピン抵抗を変えることで、
デバイスに対し、より低いカレントリミットをプログラムできます。
他の PI デバイスファミリーには、コンデンサを使用してカレントリミットをプログラムでき
るものもあります。プログラミングコンデンサまたはプログラミング抵抗の値が PI Expert
で指定されている値と一致していることを確認して、デザインのカレントリミットが正しくプ
ログラムされていることを確認します。
PI Expert で定義されている抵抗の値
PI Expert で指定されているコンデンサの値
5. Power Integrations のデバイスのスイッチング周波数が不適切に設定されている
スイッチング周波数を外部からプログラム可能な Power
Integrations デバイスの場合は、デザインの周波数が正し
くプログラムされていることを確認します。プログラムさ
れている周波数は、PI Expert のトランスデザイン結果で
使用されている周波数と一致する必要があります。
スイッチング周波数が PI Expert で指定されている値より
も低い場合、出力に送られる電力が制限されます。指定さ
れている値よりも高い場合は、一次電流の波形の変化によ
ユーザーによるプログラミングが可能
なスイッチング周波数
り、初期カレントリミットがトリガされる可能性があります。
6. 入力整流コンデンサの値が低すぎる
高電圧プローブを DC バスと整流コンデンサのマイナス端子との間に接続した状態で、整流コ
ンデンサの電圧リップルを測定します。リップルの谷部で測定された最小電圧が、PI Expert
で指定されている最小 DC 電圧以上であることを確認します。この電圧が低すぎる場合、電源
の電力供給容量が制限されます。DC バス電圧が減少するにつれ、必要なピーク一次電流が増加
するからです。必要な電流がデバイスのカレントリミットを超えると、電源はレギュレーショ
ンを外れ、オートリスタートモードに入ります。
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値の低い整流コンデンサは最小 DC 電圧を減少させ、負荷に送られるエネルギーを制限する
DC バスの最小電圧が低すぎることがわかった場合は、AC 整流器ブリッジのすべてのダイオー
ドが基板に適切にはんだ付けされていることをまず確認します。ダイオードがはんだ付けされ
ていない場合、または異常なオープン回路がある場合は、ブリッジは半波整流器になってしま
います。故障している、または不適切に取り付けられているダイオードを取り替えて、電源を
再びテストしてください。
次に、基板で使用する入力コンデンサの
値が PI Expert のデザインで指定されて
いる値と一致していることを確認しま
す。値が小さすぎる場合、コンデンサは
十分なエネルギーを蓄えることができ
ず、DC バスのリップルが増加します。
7. クランプ、バイアスまたは出力ダイ
オードが故障している
出力、バイアスまたはクランプダイオ
サイズの小さい整流コンデンサはリップルを増加させ、DC バ
スの最小電圧を低下させる
ードのいずれかが劣化し始めると、負荷がかかったときに電源が断続的にオートリスタートに
入る原因になる場合があります。これらの各部品を 1 つずつ取り替え、デザインを再びテスト
してください。いずれかのダイオードを取り替えることによって問題が解決した場合は、電源
に最大の負荷をかけ、最小 AC 入力電圧でのそのダイオードの温度を測定します。ダイオード
が高すぎる温度で稼動している場合は、先に進む前にこの問題を解決してください。
8. 出力ダイオードまたはバイアス巻線ダイオードの逆回復時間が長すぎる
次のテストとして、ドレインスイッチング電圧と電流を監視する必要があります。基板上の
MOSFET ドレイン線を遮断し、ワイヤカレントループを挿入してドレイン電流を監視します。
この手順の詳細は、PI University のコース「ドレイン電圧と電流の測定方法」を参照してく
ださい。
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MOSFET のスイッチング電圧を測定するには、高電圧のオシロスコーププローブをドレインノ
ードからソースピンに接続します。ドレイン電流を測定するには、先ほど作成したカレント
ループに電流プローブを接続します。
AC 電圧を、電力供給に問題が起きた入力電圧か、そ
れが不明の場合は仕様に指定されている最小 AC 入
力電圧に設定します。出力負荷をゼロに設定して、
電源をオンにします。
オシロスコープに MOSFET 電圧と電流の両方が表示
されるようにし、さらに MOSFET 電圧の立ち上がり
エッジでトリガするよう設定して、安定した値が得
られるようにします。ここで、電源がオートリスタ
電流プローブと電圧プローブの設置
ートに入らずに供給できる最大負荷に達するまで、出力負荷をゆっくりと増加させます。
このポイントを通り過ぎて電源がオートリスタート
に入った場合は、通常動作になるまで負荷を減らし
て、再びテストしてください。これらの条件下で、
MOSFET がオンにスイッチングしたときに発生する初
期電流の起動時スパイクを測定します。
スイッチング電源では、通常、このスパイクが発生
します。これは、出力ダイオードまたはバイアス巻
初期電流の起動時スパイク
線ダイオードの逆回復時間、ドレインノードの容
量、及び MOSFET またはトランス巻線のスナバが原
因で起こる場合があります。
出力及びバイアス巻線ダイオード
ドレインノードの容量
MOSFET 及びトランス巻線のスナバ
Power Integrations のデバイスにはリーディングエッジブランキング機能が組み込まれてお
り、MOSFET がオンになった直後の一定時間、カレントリミットを無効にします。リーディング
エッジブランキング機能により、初期電流スパイクでカレントリミットがトリガされてスイッ
チングサイクルが途中で終了することを防ぎます。ただし、起動時スパイクが通常より大きい
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場合、デバイスの初期カレントリミットがトリガされ、出力への電力供給が制限されることが
あります。
デザインのリーディングエッジブランキング時間、及びリーディングエッジブランキング
時間終了時の初期カレントリミットは、デバイスのデータシートに記載されています。
初期電流の起動時スパイクを測定した後、リーディング
エッジブランキング時間終了時に MOSFET で見られる
電流レベルを測定します。この測定値をデータシートの
初期カレントリミットと比較します。測定値が初期カレ
ントリミットよりも大きい場合、これが電力供給の問題
の原因である可能性があります。この線間電圧に問題が
認められない場合は、入力電圧を仕様の最大線間電圧ま
で増加させ、再びテストします。起動時電流スパイク
は、線間電圧が高いときに最大になります。これは、寄
生成分における充放電電圧が比較的高いためです。
リーディングエッジブランキング時間終
了時の MOSFET 電流が初期カレントリミッ
トを超過する
たとえば、デザイン例 RD-142 のトランスの一次巻線には余分の容量が追加されています。265
VAC で最大負荷をかけてテストすると、この増加された容量のため、電源はオートリスタート
に入ります。
トランスの一次巻線の容量
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右のオシロスコープのグラフに見られるように、時折起
動時スパイクが初期カレントリミットをトリガし、スイ
ッチングサイクルが終了されたために電流の非常に短
いパルスが発生します。デザインでこのような動作が見
られる場合、出力整流器に超高速リカバリーダイオー
ドまたはショットキーダイオードのみが使用されてい
ることをまず確認します。低速リカバリーダイオード
を使用すると、逆回復電流が増加します。この電流は二
次巻線へ逆流し、それが巻数の比率に従って一次側に変
起動時スパイクがカレントリミットをトリ
ガする
換されて、MOSFET に入る初期起動スパイクを増加させます。
使用しているバイアス巻線ダイオードの逆回復時間が長い場合は、1N4937 整流器と交換してみ
てください。これで問題が解決した場合、PI Expert を参照して、使用しているバイアス巻線
ダイオードが指定の仕様に従っていることを確認してください。仕様に従っていない場合、PI
Expert 推奨のバイアス巻線ダイオードと交換します。
次に、デザインからすべてのスナバを取り外して、再びテストしてください。これにより問題
が解決される場合は、初期電流スパイクがデータシートのリミットを下回るまで、スナバで使
用する容量の値を減らすか、直列抵抗の値を増加させます。
9. ドレインノードの容量が高すぎる
スナバが初期電流スパイクに影響しない場合は、トランスの
一次容量を測定します。トランスの一次容量が高い場合は、
トランスが浸漬ワニス処理されており、真空含浸処理されて
いないことを確認します。トランスを真空含浸でワニス処理
すると、一次巻線容量が著しく増加します。
詳細情報
このコースの説明に関するご質問やコメントについては、電
子メールで [email protected] までお寄せくださ
トランスの浸漬ワニス処理
い。
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