使いやすさの向上

疑似共振型フライバック・コンバータは現在、ノートPCのACアダプタやテレビに広く使用されています。その主な理由は、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)、すなわちバレー・スイッチングによるものです。バレー・スイッチングを使用すれば、スイッチング効率が向上し、ハードスイッチング・アーキテクチャよりも電磁妨害(EMI)が少なくなります。

疑似共振型コンバータのスイッチング周波数は、本質的に入力および出力の負荷状態に応じて変動し、出力負荷が減少すると高くなる傾向があります。従来の疑似共振型コンバータでは自走周波数は一般に125kHzでクランプされますが、これはCISPR 22 EMIで規定される最低周波数150kHzよりも低くなります。したがって、軽負荷時のMOSFETは、バレー(電圧の谷)が検出されてもすぐにはターン・オンできず、8μsが経過するまで待機しなければなりません。そのため、いくつかのバレーが無視されます。しかし、出力電力が1サイクルごとのエネルギー・バランスに必要なオフ時間が電圧の谷と谷の間に位置するようなレベルにある場合は、最初のバレー・スイッチングの2～3サイクル後に、2回目のバレー・スイッチングが1サイクル続くことがあります。この現象は、「バレー・ジャンピング」として知られており、スイッチング周波数に大きな変動を生じます。この周波数変動はピーク電流を大きく変化させて打ち消すため、トランスに可聴ノイズが生じます。

周波数クランプに達したときにスイッチング周波数を下げるために、スキップサイクルまたは周波数フォールドバック動作がよく使用されます。この方法は軽負荷時の効率を向上させるには有効ですが、バレー・ジャンピングは防止しません。この方法のもう1つの欠点は、所要最低スイッチング周波数が標準約30kHzと比較的低く、大きなトランスが必要になることです。

オン・セミコンダクターのバレー・ロックアウト手法は、出力電力の大きな変化が検出されるまでコンバータを特定のバレーにロックしておくことでバレー・ジャンピングをなくします。NCP1937では、一連のコンパレータを使用してフィードバック端子の電圧をモニタし、その情報をカウンタに供給することで、バレー・ジャンピングを実行しています。各コンパレータのヒステリシス特性によって、動作時のバレーがロックされます。また、出力電力が低下すると、VCOを利用した周波数フォールドバック回路がスイッチング周波数を低下させる働きをするため、軽負荷時の効率がさらに改善されます。

図2 オン・セミコンダクターのバレー・ロックアウト検出回路

効率と使いやすさを向上させる工夫と高集積度により、フライバック/PFCコンボ・コントローラを正しく動作させるのに必要な多くの機能をチップに搭載できるようになったため、今日の民生用および業務用エレクトロニクス市場の要求に応えることができます。

まとめ

政府やエコデザイン団体をはじめ多方面から、家電をはじめとする量産電子製品のエネルギー効率の継続的改善を求める要望が寄せられています。エンド・ユーザにとっては、製品の小型化、薄型化、軽量化はエネルギー効率の改善につながると同時に、優れたデザイン性や携帯性を求める要求も満たします。製品の高機能化が進むにつれて、最大のエネルギー効率が得られる動作条件、使用条件はさらに拡大するため、電源は最新のパワー半導体技術を利用することで、洗練された外観を造り出すだけでなく、機能も高度化することができます。

著者プロフィール

Tim Kaske
製品ライン・マネージャー
AC/DCビジネスユニット

2005年にON Semiconductor入社。同社ではDC/DCおよびAC/DC製品ラインをマネージ、特にPWMコントローラとスイッチャ、PFCコントローラーに注力している。
半導体およびエレクトロニクス業界で20年以上の経験を持ち、同社入社以前には Three-Five SystemのTFTディスプレイ事業の製品ライン・マネージャー、およびPrimarionのデジタル・パワー製品開発におけるマーケティング・ディレクターを務めた。