International Rectifier DESIGN TIPS DT 95-4J ・APPLICATION ENG・ ・233 KANSAS ST.・ ・EL SEGUNDO,CA.90245・ ・TEL（310） ）322-3331・ ・FAX（310） ）322-3332 INTERNATIONAL RECTIFIER・ ハイブリット型 51HXXX を使用した 小型オフライン電源装置 By Peter Wood 訳 アイアールファーイースト株式会社 DC/DC コンバータ、モータドライブ、大型電源装置 を含め数多い電源調整装置は、日常電源を供給する小 型の補助電源装置やバイアス電源装置に対するニーズ が高くなっている。この電源装置は、保護制御回路や インジケータランプなどの他の機能装置を動作させる バイアス電源装置とも呼ばれている。オフラインバイ アス電源装置の最も簡単な例は、AC 入力側に接続して いる小型の変圧器／整流器である。AC バスがない場合 は、DC/DC コンバータを使用しなければならない。 I R 社製 5 1 H X X X シリーズの自己発振ハイブリッド は、この小型電源装置には理想的である。その理由は この装置はシングルインラインにパッケージされてお り、しかも単独で完全な変換機能を備えているからで ある。この回路に必要なのは小型の絶縁変圧器 1 個と 数個のダイオードである。 VIN VT VCC V13 T ＋ ＋ VO T CT ＋ IR51HXXX ＋ COM CT RET RET 図 1 基本的なオフラインコンバータ 図 1 に、最大 25 ワットの電力を変圧器の一次側に供 給するバイアスコンバータの基本的な回路図を示す。 動作周波数は、次に示す式で求めることができる。 "f=1/1.4(Rt+75Ω)Ct Page1 DESIGN TIPS このようなコンバータを機構化する方法の一例とし て、図 2 に示すような回路が考えられる。 周波数 50Khz 出力 25 ワット(最大出力) 入力 AC120V、60Hz D C バス電圧 D C 1 6 0 V 変圧器一次側 80Vrms D C 出力 5VDC@5A 1 B = ──────── 4 x Ae x f なお、f は 50Khz、Ae は約 40mm2 106 B = ───────── =125mT 4 x 40 x 50 これは許容範囲である。 周波数 50KHz、出力 25 ワットで動作する変圧器は、 上記要件を適切に満たすような磁心は、実効面積 実効面積約 40mm 2 、光束濃度 100mT のフェライト磁心 41mm 2 を持った PC 30 EE22-Z である。PC30 には鉄 を使用して設計する。 損が最小限に抑えられるように飽和磁束密度が 390mT@100 °C になっている。整合ボビン #BE-22 ファラデーの式からV = 4B x A x f x N 実光束濃度 118CP には、一次側に 30 HAPT 磁気ワイヤが 80 回巻 1V あたり @1 ターンは次のようにして計算できる。 線されて、二次側は #22HAPT が 2 本巻かれている。 共通の陰極ショットキー整流器およびフィルターコ ンデンサーを駆動する中央タップ巻線にするために、 二次巻線の半分 2 箇所が相互に接続されている。 120VAC ＋ IR51 H737 VCC RT CT G 27K 10μ 25V ＋ 470p VR V0 VT 15T 15T 0.1μ 7512 +12V RET 68K 1W 80T 6T 6T +5V ＋ RET 図 2 出力が絶縁されている 25 ワットのオフライン電源装置（レギュレーション無し） Page2 DESIGN TIPS 図 2 に示した回路は簡単な解決方法ではあるが、母 線や負荷の変動によってレギュレーションの必要性が たびたび発生する。そのため、ある種の閉ループ制御 4×1N4004 が必要となる。二次側に直列にレギュレータを入れて もよいが、効率が悪くなってしまう。より良い方法は、 図 3 に示すようにパルス幅制御回路を使用することで ある。 11DF4 ＋ FLOATING 0.1P 120VAC 47K ＋ 47μ 250V ＋ V+ VR VCC 47μ 25V VS IR51 H737 1.2mH 15K +12V REG 6.8K RT CT ＋ 1Kμ COM TL431C 1K 25V 220p COM 図 3 0 ∼ 25 ワットのオフライン電圧レギュレータ この回路は低コストのIR2151及び母線や負荷変動に 応じてIR2151のデューテーサイクルを可変に出来る制 御された TL 431C シャントレギュレータを使用してい る。この点で、この回路はいくぶんユニークな機能を 持っている。またこの回路は、通常の高速回復ダイ オードではなく有効整流型回路 MOSFET を使用してい るので、ソース負荷電流シンク負荷電流に関係なく出 力電圧を調整する。この機能を使用すると、調整され た出力を負荷する必要なく、電源を未調整出力から引 き出せるため、図 3 に示すように多出力レギュレータ のときに特に役立つ。この未調整出力の負荷は、ダイ オード整流型バックレギュレータとの兼ね合いで大き な問題の 1 つになっている。また有効整流型回路はよ り高効率をもたらす。その理由はダイオードの V F は MOSFET のチャネル降下によって機能はおきかえられ るがその結果、逆回後時間（frr)とは無関係になるか らである。もちろんバッテリを充電するために電流調 整器を設計することは図 3 に示す回路の多少の変更で 可能となる。図 4 に、ラップトップコンピュータの急 速充電器などのアプリケーション用バッテリ管理ICを 取り付けできる回路構成を示す。この場合の充電完了 はバッテリ温度カットオフ、ピーク電流、またはス ロープカットオフによって感知する。 Page3 DESIGN TIPS 11DF4 4×1N4004 120VAC 47K ＋ 47μ 250V ＋ V+ VR VCC 47μ 25V VS 0.1μ 1.2mH I0 + 15K RT IR51 H737 CT ＋ COM 1K SET I0 220p COM 2Ω 3W 図 4 バッテリ充電アプリケーション用の電流レギュレータ 低コストのバッテリ管理制御 I C の例として、 BENCHMARQ bq 2002 がある。この IC は内部に生成 された制御電圧によって外部定電圧充電器を制御す る。この制御信号は単なるオン／オフ機能になってい る。だがこの信号を反復変調することによってバッテ リ管理プロセスを完全に制御できる。バッテリの温度 と電圧が制御チップの仕様値以内にある場合は、バッ テリを充電器に接続したときに急速充電が開始され 4×1N4004 る。急速充電が完了すると、一定時間最高値に近い充電 を維持するために、制御電圧はオン時に 286 マイクロ 秒、オフ時に 4.6 マイクロ秒に変調される。そのあと反 復サイクルは細流充電するためにオン時に286マイクロ 秒、オフ時に18.3マイクロ秒再び変調される。図5に示 すように 51H XXX ハイブリッドの Ct ピンに制御電圧を かけることによって、図4の回路を同じように制御でき る。 11DF4 120VAC ＋ 47K 1W 47μ 250V ＋ 47μ 35V IR51 H737 1.2mH V+ VCC VR 22K 5V 0.1μ LED 47μ ＋10V VS 15K RT 5.1K CT TS TL431C 5.1K COM IN 914 ＊SELECT FOR R = N-1 150K VCC IN H 220p IN 914 CONTROL 1K 10K ＊ LED N Cells Bat TM CC VSS 150K 2Ω 3W 図 5 ラップトップコンピュータの Nicad 電池または NiMH 電池用の急速充電器の回路図 Page4 DESIGN TIPS 図5に示すbq 2002バッテリ充電管理ICは、タイマー モード( T M ) ピンをアースに接続することによって、 ピーク電圧終了(PVD)に設定される。この終了モード のあとに最高値に近い充電があり、さらに細流充電が 1.50 100 1.46 80 続いたときに、この終了モードは Nicad および NIMH バッテリ両方にとって有用となる。図 6 に、このバッ テリ管理方式を使用した典型的なバッテリ電圧と時間 特性を示す。 75 155 65 40 温度 ( °C ) 1.38 60 温度 ( °F ) 1.42 圧力 ( PSIG ) 電圧 ( V ) 電池の電圧 135 55 115 電圧 45 温度 1.34 20 95 35 0 75 25 0 50 100 変化の状態 ( ％ ) 図 6 電圧特性、圧力、温度と率 1C での Nicad 電池の変化状態(General Electric 社の協力を得た)。 急速充電が開始したときに電池の電圧は急激に上り、 そのあと完全に充電されるまではゆっくり上昇し、急 速充電が終了する地点に達すると最終的に 1.48V にな ることに注意されたい。 急速充電サイクルの終わりに、 バッテリにはしばらくの間は最高値に近い充電が供給 され、そのあと細流充電が供給される。細流充電は バッテリを充電器から取り外すまで維持される。これ らすべての制御機能は、bq 2002 の充電制御(CC)出力 信号によって提供される。この信号は自己発振 IR2151 ドライバ IC を始動または停止させるのに使用される。 完全放電されたバッテリを約 1 時間で充電できるとし ても、通常のラップトップコンピュータのバッテリを 充電するときは、この充電器の効率は、ヒートシンク を必要としないほど高い。充電器はまた放電された一 部のバッテリを過充電にならずに再充電できる。過充 電になると、バッテリが損傷する。この充電器は少な い部品で構成されていて、「壁取り付け」プラグ式に なっている。 Page5
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