フライバックコンバータ入門: パラメータ、トポロジー、およびコントローラ

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• V_IN: 回路の電力源となる入力電圧。
• C_INとC_OUT: それぞれ入力コンデンサと出力コンデンサ。コンデンサは、電荷を蓄積したり、レギュレータのV_INと出力電圧 (V_OUT) に放出したりするために使用されます。
• 制御: ICコントローラから来る信号で、一次MOSFETをオンにします。このプロセスにより、L_Pに電流が流れるようになり、この電流が出力に転送されます。
• L_PとL_S: それぞれ一次インダクタと二次インダクタ。結合インダクタはエネルギーを蓄積および放出し、巻線の個々の巻き数に基づきV_OUTを決定します。
• D: 交流 (AC) を直流 (DC) に変換することでV_OUTを整流して電流を一方向にのみ流れるようにするダイオード。
• R_L: フライバックコンバータの消費電力をエミュレートする負荷。

図1: フライバックコンバータトポロジー

フライバックコンバータに関する考慮事項

フライバックコンバータを選択する場合、V_IN、V_OUT、L_PとL_Sなどのいくつかの基本パラメータを特定することを含め、重要な考慮事項があります。いくつかの追加の考慮事項を以下に示します。

• トランスの巻数比、N_P : N_S (ここで、N_Pは一次巻線の巻数、N_Sは二次巻線) はV_OUTに直接影響します。N_Sは増加すると、その後V_OUTが比例して増加します。N_Pが減少すると、V_OUTも比例して減少します。それに対して、N_PはV_OUTに反比例しN_Pが増加すると、その後V_OUTが反比例して減少し、その逆も同様です。
• デューティサイクルは、総スイッチング期間 (t_ON / τ_SW) と比較したオン時間の比率です。デューティサイクルによってV_INに基づくV_OUTとトランスの巻数比を決定し、デューティサイクルが高いほどV_OUTが高くなります。
• 保護メカニズムと絶縁は、フライバックコンバータがUL1577やIEC62368などの安全規格を満たすために不可欠です。EMI性能に合わせて保護を最適化し、ICが次善の条件で動作しないようにすることができます。

フライバックコンバータの動作

フライバックコンバータは、エネルギーを蓄積および転送するように動作します。フライバックコンバータにはオン時間 (t_ON) とオフ時間 (t_OFF) の2つの期間があり、MOSFETのスイッチング状態によって制御されます (図2参照)。t_ONでは、MOSETがオン状態になり、電流が入力からとL_Pを通って流れ、結合インダクタを充電します。t_OFFで、MOSFETはオフ状態です。結合インダクタはダイオードを介して消磁し、この電流がC_OUTを充電して負荷に電力を供給します。このプロセスはいくつかのステップに簡略化できます。

1. t_ON開始。MOSFETがオンすると、L_Pに電流が流れ、そしてエネルギーはトランスの磁場に蓄えられます。
2. t_ON終了。
3. t_OFF開始。MOSFETがオフになると、蓄積されたエネルギーが二次ダイオード / MOSFETを介して出力に転送され、C_OUTを充電し、そしてV_OUTが増加します。
4. t_OFF終了。

図2: t_ONとt_OFF

このサイクルを繰り返してV_OUTを調整します。フライバックコンバータは上記の全体的なプロセスに従いますが、効率を最適化するために選択できるさらなるプロセスとモードがあります。

連続導通モード (CCM) と不連続導通モード (DCM)

フライバックコンバータは、連続導通モード (CCM) または不連続導通モード (DCM) で動作できます。

CCMで、インダクタが完全に放電する前にMOSFETはt_OFFからt_ONに切り替わり、インダクタ電流 (I_L) がゼロになるのを防ぎます。DCMでは、エネルギーが完全に放電されます。つまり、I_Lがゼロの時間があります。I_Lがゼロの場合、ダイオードとMOSFETは両方ともオフ状態になります。

CCMは定電流であるため、この方法はより安定したV_OUTを提供するため、負荷が変動するアプリケーションに推奨されます。CCMは通常、負荷が中程度または重いアプリケーションで役に立ちます。

ただし、軽負荷の場合はDCMをお勧めします。DCMでは、軽負荷時の過渡応答が速くなり、二次ダイオード / MOSFETがt_OFFの間にゼロ電流スイッチング (ZCS) を備えている場合、さらに高い効率を示し、電流がゼロになるとすぐにスイッチングデバイスをオフにします。ZCSは、スイッチングデバイス全体の電力損失を減らします。

表1は、これら2つのモードの比較を簡単にまとめたものです。

表1: CCM vs. DCM

一次側レギュレーション (PSR) と二次側レギュレーション (SSR)

フライバックコンバータの最も重要な課題の1つは、コンバータを一次側と二次側に分割する入力と出力の間の絶縁を維持することです。

一次側調整 (PSR) を使用すると、非常に少ない部品を使用して出力を調整できます。補助巻線は入力電圧と同じグランド基準を共有するため、外部フォトカプラは必要ありません (図3参照)。補助トランスはV_OUTに関係するので、トランスの巻数比を使用してシステムを制御することが可能です。

図3: 一次側調整

PSRは絶縁電圧要件を軽減し、総コストも削減できるため、高電圧アプリケーションに推奨されます。ただし、I_Lが最低になると、PSRは電圧をサンプリングします。これは継続的なモニタを提供せず、調整に時間がかかることを意味します。

二次側レギュレーション (SSR) は、より正確な調整を提供できます。SSRではV_OUTが直接感知され、この信号は絶縁障壁を破壊することなく信号を送信するフォトカプラを介してコンバータに送信されます (図4参照)。SSRにより、設計者は、巻線増加や加重フィードバックの使用など、他の方法を利用して調整をさらに最適化できます。

図4: 二次側調整

ただし、SSRには追加の外付け部品が必要です。これにより、ソリューションのサイズとコストが増加し、故障したり障害が発生したりする可能性のある部品が増えるため、システムの信頼性も低下する可能性があります。

表2にPSRとSSRの比較を示します。

表2: PSR vs. SSR

同期整流 (SR)

ダイオードの代わりに同期整流器 (SR) を使用できます。同期整流では、パワーMOSFETなどのアクティブに制御されるスイッチを使用します。MOSFETはオン抵抗 (R_DS(ON)) が低いため、ダイオードよりも電圧降下が小さいため、電力損失が低減し、効率が向上します。

同期整流では、電圧を検知し、特定の時間にトランジスタを開いて電流を正しい方向に流すコンパレータを使用します。これにより、外付け部品が追加されてシステムがより複雑になりますが、効率は向上します。電力損失が少なくなるため、PCB全体の温度も下がります。

MPSのフライバックコントローラ

フライバックコンバータはブロック電源であり、フライバックコントローラと、必要な性能を達成するために必要なすべての電源スイッチおよびトランスで構成されます。

一方、フライバックコントローラは電源を制御するために使用されるICです。これは、単一のダイに配置され、代表的なプラスチックパッケージ (SOIC-8、SOICW-16、TSOICW16-15など) 内にカプセル化されたマイクロ電子回路によって設計されています。すべての制御回路、電圧および電流レギュレータ、パワー半導体をオン / オフするドライバなど、多くの機能を備えています。

MPX2002は、プライマリ駆動回路、セカンダリコントローラ、SRドライバ、および安全準拠フィードバックをSOIC-W16またはTSOICW16-15パッケージに統合したオールインワンフライバックコントローラです (図5参照)。

MPX2002は、PSRとSSRの両方の利点を提供します。このICには、一次側MOSFETの信号と一致するSRがあり、内蔵されたSRコントローラがSR MOSFETを調整して柔軟性を高めます。

図5: MPX2002

このICは高負荷時にはCCMで動作しますが、負荷が減少すると擬似共振 (QR) モードに切り替わります。MPX2002は、負荷に応じて動作モードを切り替えることで、広い負荷範囲にわたって高い効率を維持できます。

MPX2002 は、一次側と二次側の両方に非常に堅牢な保護を提供します。一次側の保護の概要は次のとおりです。

• 短絡回路保護 (SCP): SCPは、MPX2002を過電流 (OC) 状態から保護するように設計されています。SCPはサージ耐性を備えたアプローチであり、最初のトリガー後にICがオフにならないことを意味します。SCPが8つのスイッチングサイクル内に2回トリガーされると、一次側はスイッチングを停止し、その状態が解消されると通常動作を再開します。
• CS短絡保護 (SSP): CSピンの電圧が設定された時間枠内に設定値に達しない場合、一次電流に過剰なストレスがかかるのを防ぐためにSSPが開始されます。この保護は、最初の数スイッチングサイクル内でのみ機能します。
• 過電圧保護 (OVP): ICはOVPを開始して、OV状態からのストレスによる部品の故障を防ぐことができます。
• ブラウンアウト保護 (BOP): BOPは、ICがV_IN不足による電源供給の問題を経験しないようにするためにトリガーされます。
• 一次過熱保護 (POTP): 一次側は過熱による損傷を防ぐためにPOTPを提供します。一次接合部温度があります。POTPしきい値 (約150°C) を超えると、接合部温度が約40°C低下するまで、スイッチングは直ちに停止します。
• 一次過電流保護 (POCP): 一次側は起動時に二次側をモニタします。OCP時間 (t_OCP) 内に一次側が起動しない場合、故障状態が発生します。この故障状態の間、POCPフラグが設定され、一次側が保護動作で実行されます。
• 一次外部保護 (PEP): MPX2002には汎用の保護ピン (PEP) があります。MPX2002は、PEPの電圧を100μs～200μsごとにモニタします。PEPピンの電圧が設定された保護しきい値の0.5Vを下回ると、PEPフラグがHighになります。このピンは、外付け部品のOTPを示すために使用することも、OVPに使用することもできます (図6参照)。

図6: 一次外部保護

二次側保護の概要は次のとおりです。

• 二次低電圧ロックアウト (SUVLO): 二次側が電圧不足で動作するのを防ぐため、電源電圧 (V_DD) が上昇しきい値を越えるまで二次側は動作しません。VDDが下降しきい値を下回ると、二次側がシャットダウンします。
• 二次過負荷保護 (SOLP) : MPX2002のISピンは、電流検知抵抗を使用して出力電流を検知します。IS電圧が遅延時間よりも長く過負荷しきい値を超えた場合、SOLPがトリガーされ、ICはスイッチングを停止します。
• 二次側OVP (SOVP): 二次側にもOVP機能があり、MPX2002を過度のストレスから保護します。
• FB開ループ保護 (FBOLP): 故障状態が発生すると、MPX2002はフィードバックループを失う可能性があり、V_OUTは調整から外れてしまう可能性があります。回路を保護するために、MPX2002はV_OUTとFBピンの電圧をチェックします。FBピンの電圧が設定時間にわたってしきい値を下回ると、二次側はFBOLPを開始してICを保護します。
• SRゲート開放 / 短絡保護 (SGOP / SGSP): SRドライバにはSGOPがあり、SRが正常にオンにならない場合に回路が損傷するのを防ぎます。一次側が再度起動するまで二次側は起動しません。
• SRD異常保護 (SRDP): 二次側が起動し、7つの連続した一次スイッチングパルスがあるにもかかわらず、SRゲートがSRDピンによって設定されたしきい値に達しない場合、一次側または二次側が低電圧誤動作防止機能 (UVLO) をトリガーするまで、二次側は回復しません。
• 二次過熱保護 (SOTP): POTPと同様に、SOTPには保護しきい値があり、二次側の接合部温度がヒステリシスしきい値を下回るまでSOTPフラグを設定します。

MPX2003は、CCM、DCM、およびQRでも動作できるオールインワンのフライバックコントローラです。このICには、コントローラ、二次側 SR、検出および駆動回路が内蔵されています。100%の生産HIPOTコンプライアンステストを提供します。MPX2002と同様に、MPX2003もSOICW-16、および、TSOICW16-15パッケージで提供されます。

MPX2003は、MPX2002と同じ保護機能を提供し、DIN VDE V 0884-17が進行中の同じ安全ガイドラインをサポートします。さらに、MPX2003は大幅に高いスイッチング周波数 (f_SW)、最大140kHzを実現できます。

結論

フライバックコンバータは、コンバータを2つのセグメント (一次側と二次側) に分割する結合インダクタを使用して、広いV_IN範囲にわたってV_OUTを安定化します。これらのコンバータは、さまざまな負荷に対してCCMで動作することも、低出力電力でDCMで動作することによって効率を向上させることもできます。フライバックコントローラは、フライバックコンバータのブロック電源内にあります。コントローラを使用して回路を制御し、最適化できます。

MPX2002は、フライバックコンバータの標準的な利点 (高効率、優れたV_OUT調整、シンプルな設計など) をすべて提供し、コンバータの両側を故障状態から保護するように設計された広範な保護機能も備えているオールインワン・フライバックコントローラです。MPX2003は、さらなる安全機能が承認されている同様の部品であり、さらに高いスイッチング周波数を達成できます。MPSは、PSR、SSR、およびその両方を備えたフライバックコントローラを提供します。MPSのフライバックコントローラの詳細については、MPS Webサイトをチェックして、アプリケーションのニーズを満たすソリューションを見つけましょう。

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