LM2702 TFT Panel Module (jp)

LM2702
LM2702 TFT Panel Module
Literature Number: JAJSA25
ご注意：この日本語データシートは参考資料として提供しており、内容
が最新でない場合があります。製品のご検討およびご採用に際
しては、必ず最新の英文データシートをご確認ください。
■ LCD バイアス電源
20021115
© National Semiconductor Corporation
DS200511-03-JP
1
LM2702 TFT パネル・モジュール
LM2702
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2A、0.2Ωのスイッチング・トランジスタ
2.2V ∼ 12V
VIN 電圧範囲
昇圧 DC/DC コンバータのスイッチング周波数
600kHz
突入電流制限回路
ソフトスタート内蔵 ( ソフトスタート時間は外部設定可 )
7.3ΩPMOS スイッチ内蔵
PMOS スイッチ制御端子
PMOS スイッチ遅延端子
Vcom アンプ
ガンマ・バッファ内蔵
16 ピン TSSOP パッケージ
アプリケーション
代表的なアプリケーション回路
ds200511
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24060
LM2702 は TFT ディスプレイ用の小型バイアス・ソリューションで
す。 電流 2A、オン抵抗 0.2Ω の内部スイッチを備えた PWM 昇
圧 DC/DC コンバータを内蔵しています。リチウムイオン・バッテリ
から 8V、170mA の出力を生成することができます。 大型 LCD
パネルのバイアス電源として理想的です。LM2702 のスイッチング
周波数は 600kHz で、ノイズのフィルタリングが容易で低ノイズを
実現できます。また、外部補償端子を備えているので、位相補
償を設定でき、これにより出力に小型で低 ESR のセラミック・コン
デンサを使用可能になりました。LM2702 は、外部ソフトスタート・
コンデンサを使用しなくても、スイッチング・レギュレータのスタート
アップ時に発生するインダクタへの突入電流を制限する特許取
得済みの内部回路を採用しています。あわせて、アプリケーショ
ンに応じてソフトスタート時間を設定できる外部ソフトスタート端子
も備えています。 LM2702 はゲート・ドライバ電圧の制御に使用
できる PMOS スイッチを内蔵しています。このスイッチは、コント
ロール・ピン (SWC) と遅延時間発生ピン (Delay) により制御され
ます。また LM2702 は、Vcom アンプと 1 個のガンマ・バッファを
内蔵しており、それぞれ 50mA 以上の電流ソースまたは電流シン
クが可能です。回路全体の部品高さを抑えられるTSSOP-16 パッ
ケージで提供されます。
20020716
特長
Clinton Jensen
概要
LM
TFT パネル・モジュール
2702
TFT パネル・モジュール
LM2702
2005 年 2 月
LM2702
ピン配置図
Top View
TSSOP 16 package
TJMAX ＝ 125 ℃ ,θJA ＝ 120 ℃ /W (Note 1)
端子説明
端子番号
端子名
1
Vcom ＋
2
Vcom −
3
Vcom
説明
Vcom アンプ正入力
Vcom アンプ負入力
Vcom アンプ出力
スイッチ遅延
4
Delay
5
Css
ソフトスタート端子
6
VC
位相補償回路接続端子
7
FB
出力電圧のフィードバック入力
8
GND
9
SW
NMOS パワー・スイッチ入力
10
VIN
昇圧回路とスイッチ用電源入力
グラウンド
11
SWI
PMOS スイッチ入力
12
SWO
PMOS スイッチ出力
13
SWC
PMOS スイッチ制御端子
14
AVIN
アナログ回路 ( バッファ) 用電源入力
15
GMA
ガンマ・バッファ出力
16
GMA ＋
ガンマ・バッファ入力
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2
GND (8 ピン ): LM2702 のグラウンド接続です。帰還抵抗、ソフ
トスタート・コンデンサ、遅延コンデンサ、補償ネットワークなど、ノ
イズに敏感な回路は、このピンに直接接続される専用の AGND
層に接続してください。 パワー部品のグラウンドもこのピンに直接
接続してください。レイアウトの詳細は、「動作原理」の「基板
レイアウトの考慮事項」を参照してください。
Vcom ＋ (1 ピン ): Vcom アンプの正入力端子です。
Vcom − (2 ピン ): Vcom アンプの負入力端子です。
Vcom (3 ピン ): Vcom アンプの出力端子です。
Delay (4 ピン ): PMOS スイッチの遅延制御ピンです。遅延時間
の設定は「動作原理」の項の「遅延コンデンサ」を参照してく
ださい。
SW (9 ピン ): 内部 NMOS パワー・スイッチのドレインです。EMI
を抑えるために、本端子に接続するプリント基板パターンは可能
な限り短く設計してください。
DC/DC スイッチング・レギュレータの出力電圧が本来の出力電圧
の 85% に達すると遅延時間の計時が始まります。この電圧は、
およそ 1.1V の FB 電圧に相当します。 内部 PMOS スイッチは、
遅延時間とスイッチ制御ピン SWC の両方によって制御されます。
Cdelay コンデンサを使用しない場合、PMOS スイッチは SWC ピ
ンのみでの制御となります。
VIN (10 ピン ): 電源入力端子です。デバイスの可能な限り近くで
バイパスを行ってください。バイパス・コンデンサは VIN と GND
間に接続します。
SWI (11 ピン ): PMOS スイッチの入力です。 PMOS デバイスの
ソースに接続されています。
Css (5 ピン ): ソフトスタート端子です。 CSS 端子と AGND 間に
コンデンサを接続すると、スタートアップ時のインダクタ電流の立ち
上がりを緩やかにできます。ソフトスタート時間の設定は「動作原
理」の項の「ソフトスタート・コンデンサ」を参照してください。
SWO (12 ピン ): PMOS スイッチの出力です。PMOS デバイスの
ドレインに接続されています。
SWC (Pin13): PMOS スイッチの制御ピンです。スイッチング・レ
ギュレータの出力電圧が定格出力の 85% に到達したあと、この
ピンは遅延コンデンサによる遅延機能と AND されます。PMOS ス
イッチを正しいオン / オフ状態に維持するために、PMOS スイッチ
のターンオンには本ピンに1.5V以上の電圧を、
ターンオフには0.7V
以下の電圧を与えてください。
VC (6 ピン ): 昇圧スイッチング・レギュレータの位相補償端子で
す。 AC 補償のために抵抗 / コンデンサ・ネットワークを VC 端子
とAGND 間に接続してください。
FB (7 ピン ): フィードバック端子です。 次式のように R1 と R2 に
よって出力電圧が決まります。
AVIN (14 ピン ): Vcom オペアンプとガンマ・バッファの電源ピンで
す。デバイスのできる限り近くに、およそ 0.1μF のコンデンサを配
置してバイパスを行ってください。バイパス・コンデンサは AVIN と
PGND 間に接続します。
GMA (15 ピン ): ガンマ・バッファの出力端子です。
帰還ネットワークのグラウンドは、GND 端子が接続される AGND
層に接続します。
GMA ＋ (16 ピン ): ガンマ・バッファの入力端子です。
製品情報
3
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LM2702
端子機能
LM2702
ブロック図
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4
本データシートには軍用・航空宇宙用の規格は記載されていません。
関連する電気的信頼性試験方法の規格を参照ください。
VIN
− 0.3V ∼ 12V
SW 電圧
− 0.3V ∼ 18V
FB 電圧
− 0.3V ∼ 7V
VC 電圧
0.96V ∼ 1.56V
Css 電圧
− 0.3V ∼ 1.2V
SWC 電圧
− 0.3V ∼ 12V
電源電圧、AVIN
− 0.3V ∼ 12V
アンプとバッファの入出力電圧
Delayピン
ESD 耐圧 (Note 3、4)
人体モデル
マシン・モデル
動作条件
SWO ピン
− 0.3V ∼ 30V
− 40 ℃∼＋ 125 ℃
保存温度範囲
− 65 ℃∼＋ 150 ℃
SW 電圧
電源電圧、AVIN
GND ∼ 1.3V
− 0.3V ∼ 30V
動作温度範囲
電源電圧、VIN
フルスイング
SWIピン
2kV
200V
SWIピン
2.2V ∼ 12V
17.5V
4V ∼ 12V
2.2V ∼ 30V
スイッチング・レギュレータの電気的特性
特記のない限り、標準字体で記載された仕様は TJ ＝ 25 ℃の場合であり、太字で記載された上限または下限値は「動作条件」に記
載の「動作温度範囲」(TJ ＝− 40 ℃∼＋ 125 ℃ ) に適用されます。 特記のない限り、VIN ＝ 2.2V、AVIN ＝ 8V、RCOM ＝ RGAMMA
＝ 50Ω、CCOM ＝ CGAMMA ＝ 1nF です。
5
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LM2702
絶対最大定格 (Note 2)
LM2702
VCOM アンプの電気的特性
特記のない限り、標準字体で記載された仕様は TJ ＝ 25 ℃の場合であり、太字で記載された上限または下限値は「動作条件」に記
載の「動作温度範囲」(TJ ＝− 40 ℃∼＋ 125 ℃ ) に適用されます。 特記のない限り、VIN ＝ 2.2V、AVIN ＝ 8V、RCOM ＝ RGAMMA
＝ 50Ω、CCOM ＝ CGAMMA ＝ 1nF です。
ガンマ・バッファの電気的特性
特記のない限り、標準字体で記載された仕様は TJ ＝ 25 ℃の場合であり、太字で記載された上限または下限値は「動作条件」に記
載の「動作温度範囲」(TJ ＝− 40 ℃∼＋ 125 ℃ ) に適用されます。 特記のない限り、VIN ＝ 2.2V、AVIN ＝ 8V、RCOM ＝ RGAMMA
＝ 50Ω、CCOM ＝ CGAMMA ＝ 1nF です。
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6
特記のない限り、標準字体で記載された仕様は TJ ＝ 25 ℃の場合であり、太字で記載された上限または下限値は「動作条件」に記
載の「動作温度範囲」(TJ ＝− 40 ℃∼＋ 125 ℃ ) に適用されます。 特記のない限り、VIN ＝ 2.2V、AVIN ＝ 8V、RCOM ＝ RGAMMA
＝ 50Ω、CCOM ＝ CGAMMA ＝ 1nF です。
PMOS スイッチ論理制御の電気的特性
特記のない限り、標準字体で記載された仕様は TJ ＝ 25 ℃の場合であり、太字で記載された上限または下限値は「動作条件」に記
載の「動作温度範囲」(TJ ＝− 40 ℃∼＋ 125 ℃ ) に適用されます。 特記のない限り、VIN ＝ 2.2V、AVIN ＝ 8V、RCOM ＝ RGAMMA
＝ 50Ω、CCOM ＝ CGAMMA ＝ 1nF です。
Note 1:
最大許容消費電力は、最大接合部温度 TJ (MAX)、接合部から周囲への熱抵抗θJA、周囲温度 TA の関数です。プリント基板の銅箔パターンに対す
るさまざまな熱抵抗θJA については「電気的特性」の表を参照してください。 任意の周囲温度に対する最大許容消費電力は式
PD (MAX) ＝ (TJ (MAX) − TA)/θJA
で算出されます。 最大許容消費電力を超えると、ダイ温度の上昇を招き、レギュレータはサーマル・シャットダウン状態になります。
Note 2:
「絶対最大定格」とは、デバイスに破壊を生じさせる可能性がある上限または下限値のことです。「動作定格」はデバイスが機能する条件を示してい
ますが、デバイスの仕様パラメータは保証されないことがあります。 保証された仕様およびテスト条件に関しては、「電気的特性」を参照してください。
Note 3:
人体モデルでは、100pF のコンデンサから 1.5KΩの抵抗を介して各ピンへ放電させます。マシン・モデルでは、200pF のコンデンサから抵抗を介さずに
各ピンへ放電させます。
Note 4:
Vcom ピンの ESD 定格は、人体モデルで 1.5kV、マシン・モデルで 150V です。
Note 5:
すべての上限値および下限値は、室温に対する保証 ( 標準字体 )、または「動作条件」に記載の「動作温度範囲」に対する保証 ( 太字体 ) です。
室温でのすべてのリミット値は、全数試験または統計的解析により保証されています。「動作温度範囲」 保証に対する各項目は、統計的品質管理
(SQC:Statistical Quality Control)を用いた相関により保証されています。すべての上限値および下限値は、
ナショナルセミコンダクター社のAOQL (Average
Outgoing Quality Level: 平均出荷品質レベル ) の算出に使用しています。
Note 6:
Typ 値は 25 ℃での値であり、最も標準的な値を示しています。
Note 7:
ランプ・ジェネレータによって電流制限はデューティ・サイクルで変わります。 電流制限値はデューティ・サイクルが 0％の場合であり、デューティ・サイクル
が高くなると電流制限値は減少します。
「代表的な性能特性」の“Power Switch Current Limit vs. VIN ”
と
“Power Switch Current Limit vs. Temperature”
グラフを参照してください。
Note 8:
パワースイッチの RDSON の正確な値は、「代表的な性能特性」の “RDSON vs. VIN”グラフを参照してください。
Note 9:
バイアス電流は FB 端子を流れます。
Note 10: 「代表的な性能特性」の “Input Offset Voltage vs. Common Mode Voltage”グラフを参照してください。
7
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LM2702
ガンマ・バッファの電気的特性 ( つづき)
LM2702
代表的な性能特性
Efficiency vs. Load Current
(VOUT ＝ 8V)
Efficiency vs. Load Current
(VOUT ＝ 10V)
Frequency vs. VIN
Power Switch Current Limit vs. Temperature
(VOUT ＝ 8V)
RDSON vs. VIN
(ISW ＝ 1A)
Power Switch Current Limit vs. VIN
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8
LM2702
代表的な性能特性 ( つづき)
IQ vs. VIN
(not switching)
IQ vs. VIN
(switching)
Feedback Current vs. Temperature
Soft Start Current vs. VIN
Delay Current vs. VIN
PMOS RDSON vs. SWI Voltage
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LM2702
代表的な性能特性 ( つづき)
SWI Current vs. SWI Voltage
(PMOS ON)
SWI Current vs. SWI Voltage
(PMOS OFF)
Load Transient Response
PMOS Switching Waveform
VOUT ＝ 8V, VIN ＝ 2.5V
1) Load, 20mA to 155mA to 20mA, DC
2) VOUT, 200mV/div, AC
3) IL, 500mA/div, DC
T ＝ 50μs/div
VOUT ＝ 8V, VIN ＝ 2.5V, RLOAD ＝ 40Ω, CSS ＝ none
CD ＝ 100nF, RSW ＝ 10k__1.5k, SWI ＝ 30V, 10％ duty cycle
1) SWC, 1V/div, DC
2) SWO, 10V/div, DC
T ＝ 2.5μs/div
PMOS Rising Edge
PMOS Falling Edge
VOUT ＝ 8V, VIN ＝ 2.5V, RLOAD ＝ 40Ω, CSS ＝ none
CD ＝ 100nF, RSW ＝ 10k__1.5k, SWI ＝ 30V
1) SWC, 1V/div, DC
2) SWO, 10V/div, DC
T ＝ 50ns/div
VOUT ＝ 8V, VIN ＝ 2.5V, RLOAD ＝ 40Ω, CSS ＝ none
CD ＝ 100nF, RSW ＝ 10k__1.5k, SWI ＝ 30V
1) SWC, 1V/div, DC
2) SWO, 10V/div, DC
T ＝ 50ns/div
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10
Internal Soft Start and PMOS Delay
External Soft Start and PMOS Delay
VOUT ＝ 8V, VIN ＝ 2.5V, RLOAD ＝ 40Ω, CSS ＝ none
CD ＝ 100nF, RSW ＝ 10k__1.5k, SWI ＝ 30V, SWC ＝ VIN
1) VIN, 2V/div, DC
2) VOUT, 10V/div, DC
3) IL, 500mA/div, DC
4) SWO, 20V/div, DC
T ＝ 5ms/div
VOUT ＝ 8V, VIN ＝ 2.5V, RLOAD ＝ 40Ω, CSS ＝ 330nF
CD ＝ 100nF, RSW ＝ 10k__1.5k, SWI ＝ 30V, SWC ＝ VIN
1) VIN, 2V/div, DC
2) VOUT, 10V/div, DC
3) IL, 500mA/div, DC
4) SWO, 20V/div, DC
T ＝ 5ms/div
Input Offset Voltage vs. Common Mode Voltage
(Vcom, 3 units)
Input Offset Voltage vs. Common Mode Voltage
(Vcom Over Temperature)
Input Offset Voltage vs. Common Mode Voltage
(Gamma, 3 units)
Input Offset Voltage vs. Common Mode Voltage
(Gamma Over Temperature)
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LM2702
代表的な性能特性 ( つづき)
LM2702
代表的な性能特性 ( つづき)
Input Bias Current vs. Common Mode Voltage
(Vcom)
Input Bias Current vs. Common Mode Voltage
(Gamma)
Output Voltage vs. Output Current
(Vcom or Gamma, sinking)
Output Voltage vs. Output Current
(Vcom or Gamma, sourcing)
Supply Current vs. Common Mode Voltage
(Both Amplifiers)
Large Signal Step Response
(50Ω, 1nF ext. compensation)
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Large Signal Step Response
(no ext. compensation)
Positive Slew Rate vs. Capacitive Load
(Vcom or Gamma)
Negative Slew Rate vs. Capacitive Load
(Vcom or Gamma)
Phase Margin vs. Capacitive Load
(Vcom)
Unity Gain Frequency vs. Capacitive Load
(Vcom)
CMRR vs. Frequency
(Vcom)
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LM2702
代表的な性能特性 ( つづき)
LM2702
代表的な性能特性 ( つづき)
PSRR vs. Frequency
(Vcom)
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LM2702
動作原理
FIGURE 1. Simplified Boost Converter Diagram
(a) First Cycle of Operation (b) Second Cycle Of Operation
連続モード (CCM)
出力電圧の設定
LM2702 は、電流モードの PWM 昇圧レギュレータ制御回路を内
蔵した、TFT パネル用モジュール IC です。 昇圧レギュレータは
入力電圧をより高い電圧に変換します。 定常状態でインダクタン
ス電流がゼロにならない連続モードでは、昇圧コンバータの動作
は 2 つのサイクルに分解できます。
出力電圧は、「代表的なアプリケーション」の回路図に示される
ように、出力電圧を抵抗で分圧し FB 端子へ帰還させて設定しま
す。FB 端子電圧は 1.265V なので、出力電圧は帰還抵抗の比
から次式で表されます。
第 1 のサイクルでは、Figure 1 (a) に示すように、
トランジスタは ON
となり、ダイオードは逆バイアスがかかります。 エネルギーはインダ
クタに蓄積され、負荷電流は COUT から供給されます。
第 2 のサイクルを Figure 1 (b) に示します。このサイクルでは、ト
ランジスタは OFF となり、ダイオードは順方向バイアスとなります。
インダクタに蓄えられていたエネルギーは負荷および出力コンデン
サに向けて開放されます。
ソフトスタート・コンデンサ
LM2702 は、昇圧型 DC/DC スイッチング・レギュレータのスタート
アップ時に発生するインダクタへの突入電流を制限する特許取
得済みの内部回路を採用しています。この電流制限回路はソフ
トスタート機能として働きます。しかし、アプリケーションによっては
内部回路の制御よりも長いソフトスタート時間を必要とする場合が
あります。そのようなアプリケーションでソフトスタート時間を設定す
るには外部 SS 端子を使用します。ソフトスタート時間はおよそ次
のように決まります。
出力電圧は、これら 2 つのサイクルの時間比によって決まり、およ
そ次式で表されます。
TSS ＝ CSS*0.6V/12μA
D はスイッチのデューティ・サイクルです。 D と D' は後述する設
計定数の算出で使用します。
ソフトスタート時間の最小値は内部ソフトスタート回路によって決ま
り、代表値は 7ms です。これよりも長いソフトスタート時間が必要
な場合に SS 端子とコンデンサ CSS を用います。小容量の CSS を
使用して、内部回路によるソフトスタート時間より、前式から求め
られるソフトスタート時間を短くなるように設定した場合は、内部ソ
フトスタート回路機能はディスエーブルされます。
15
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LM2702
動作原理 ( つづき)
遅延コンデンサ
内部と外部のデュアル・ソフトスタート機能の性質にもとづいて、温
度に対する安定動作を維持するよう設計上の配慮がされていま
す。「電気的特性」記載の Iss データと「代表的性能特性」の
“Soft Start Current vs. VIN ”グラフから分かるように、ソフトスター
ト電流は温度係数を持っているため、ソフトスタート時間は温度に
よって大きく変わるように思えます。しかし、実際の外部ソフトス
タート時間は、次のグラフからもわかるように温度で極端に変化す
ることはありません。
LM2702 は、スイッチ回路のスタートアップ後、所定の時間が経
過するまでは SWC ピンで PMOS スイッチを制御できないように、
遅延時間を設定する内部回路を備えています。 PMOS 制御回
路は、VOUT が定格出力電圧の 85％に到達するまでインアクティ
ブを保ちます。 85％に達すると CD は充電を開始します。 Delay
ピンの電圧が 1.265V に達すると、PMOS スイッチはアクティブとな
り SWC ピンによって制御が可能になります。 CD を使用しない場
合は、VOUT が定格出力電圧の 85％に達すれば PMOS スイッチ
の制御ができます。 遅延時間は次の式で求められます。
VOUT ＝8V、
VIN ＝2.5V、
RL ＝51Ω、
CSS ＝330nF、
T＝4ms/div。
信号トレース :
TD ＝ CD * (1.265V/5.7μA)
1) VIN、5V/div、DC カップリング
2) VOUT、5V/div、DC カップリング
補償についての序論
3) IL、0.5A/div、DC カップリング
4) VSW、5V/div、DC カップリング
TA ＝− 20 ℃
FIGURE 2. (a) Inductor current. (b) Diode current.
LM2702 は電流モードの PWM 制御昇圧コンバータです。スイッ
チ電流センスと出力電圧センスの 2 つの帰還ループを持ちます。
電流モードで制御されているコンバータを、50％を超えるスイッチ
ング・デューティ・サイクルでも安定させるには、インダクタが設計
上の基準に適合している必要があります。インダクタを流れる電
流の勾配はインダクタンスおよび入出力電圧で決まります(Figure 2
(a) を参照 )。インダクタを流れる電流勾配が大き過ぎると、デュー
ティ・サイクル 50％以上のときに回路が不安定となるおそれがあり
ます。そのため通常は、LM2702 を動作させるアプリケーション
では 4.7μH を推奨します。ただし、デューティ・サイクルが最大
85％程度まで達することが想定される場合は、インダクタンス値を
2 倍程度に増やす必要があります。インダクタ値の選択の詳細に
ついては、「インダクタとダイオードの選択」を参照してください。
TA ＝ 27 ℃
LM2702 は、電圧帰還ループの位相補償を行うために補償端子
(VC) を持っています。「代表的なアプリケーション回路」に示す
ように、補償ネットワークには RC と CC を直列で用いることを推奨
します。どのようなアプリケーションでも、過渡応答に関して、
LM2702 回路の性能を最適化する個別の RC と CC の組み合わ
せが存在します。 RC と CC を直列接続した場合、ポールをゼロ
にする RC とCC のペアが次の式から導かれます。
TA ＝ 85 ℃
外部ソフトスタート時間は、単純に、前述の「ソフトスタート・コン
デンサ」で与えられた式を用いて設定してください。この式では、
室温時のソフトスタート電流 12μA を使用してソフトスタート時間を
算出しています。
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16
昇圧レギュレータにおける出力ダイオードは、出力電圧と出力電流
に応じて適切に選択する必要があります。 連続モードにおけるダ
イオードの代表的な電流波形を Figure 2 (b) に示します。ダイオー
ドの逆方向電圧定格は、出力電圧よりも同じか大きくなければなり
ません。また、平均電流定格は見込まれる最大負荷電流よりも大
きくなければならず、ピーク電流定格はピーク・インダクタ電流より
も大きくなければなりません。 出力短絡試験時またはアプリケー
ションで出力短絡が起こり得る場合は、ダイオードの電流定格は
スイッチの電流制限値を上回っている必要があります。消費電力
を低減し効率を向上させるために、順方向電圧降下の小さい
ショットキ・ダイオードを使用してください。
RO はエラー・アンプの出力インピーダンスでおよそ 1MΩ です。
5kΩ ≦ RC ≦ 40kΩ、680pF ≦ CC ≦ 4.7nF の範囲で値を選択
すれば、ほとんどのアプリケーションで最適な性能が得られます
(CC2 を用いる場合は、RC は最大 200kΩ まで選択可能です。
「高 ESR 出力コンデンサの補償」を参照してください )。特定の
回路および条件下での推奨値については、
「代表的なアプリケー
ション回路」、
「アプリケーション情報」を参照してください。また、
その他の設計上の要求仕様については「補償」を参照してくだ
さい。
DC ゲインと開ループ・ゲイン
コンバータ制御段は外付け部品との組み合わせで完全な帰還
ループを構成しますが、正帰還となって動作が不安定にならない
よう、構成される閉ループは安定でなければなりません。 開ルー
プ DC ゲインは、クロスオーバ周波数と位相マージンを決めるポー
ルとゼロを用いて、計算またはグラフを使用して求められます。高
い安定性と良好な過渡応答性を得るためには 45 度より大きな位
相マージンが必要です。 LM2702 を安定させるにあたって、右
半平面 (RHP) ゼロの位置の下にクロスオーバ点をうまく設定すれ
ば、十分な位相マージンが得られます。RHP ゼロとDC ゲインを
用いたクロスオーバ点の確認については後述します。
昇圧 DC/DC の補償
この項では、回路の安定性を高め、かつ正常な機能の維持に必
要な一般的な設計手順を示します。本データシートの回路例は特
定のアプリケーションに最適化されています。 以下は、安定性の
高い連続導通モード(インダクタ電流がゼロに達しない動作モード)
の回路設計に求められる一般的なガイドラインです。このガイドライ
ンに従えば、不連続モードでもほとんどの場合で安定性が得られ
ます。 設計では、まず電源部品と効率を決定し、次に安定性を
確保するために補償部品を選択します。
入出力コンデンサの選択
インダクタとダイオードの選択
昇圧レギュレータでは、スイッチング動作によって入力に三角波の
電圧が発生します。レギュレータを正しく機能させるには、入力コ
ンデンサを設けて入力リップル電圧とノイズを吸収させる必要が
あります。その容量はアプリケーションと基板レイアウトに依存しま
す。レギュレータの負荷が一定で負荷変動が少なく、かつ出力
電流が小さい場合は、入力コンデンサ容量は小さくて済みます。
また、レギュレータが電圧源に極めて近い場合も小さな容量で対
応できます。しかし、レギュレータが最大出力定格に近い電力供
給を行う場合、または負荷変動が大きい場合、入力コンデンサは
一般的に大きな容量を必要とします。負荷が軽い条件では 10μF
以上、高出力または負荷変動が大きい場合は 22μF ∼ 47μF の
コンデンサを使用してください。また、入力リップル電圧を小さく
抑えなければならないアプリケーションでは、大容量で低 ESR の
コンデンサを選定するとよいでしょう。
「補償についての序論」で述べたインダクタの推奨値はほとんど
のアプリケーションに適用可能ですが、より正確なインダクタンス値
の算出について説明します。50％以上のスイッチング・デューティ
・
サイクルでも安定性を維持するためには、インダクタンス値は最小
入力電圧と最大出力電圧から求められる値より大きくなければな
りません。その算出式は次のようになります。
fs はスイッチング周波数、D はデューティ・サイクル、RDSON は内
部スイッチのオン抵抗で、「代表的な性能特性」の“RDSON vs.
VIN ”のグラフから求めます。上式はスイッチング・デューティ・サ
イクルが 50％を超える (D ＞ 0.5) 場合にのみ適用可能であり、
デューティ・サイクルが 50％以下の場合は前述の推奨値を使用し
てください。求めたインダクタンス値から、Figure 2 (a) に示される
インダクタのリップル電流は次式により与えられます。
出力コンデンサの容量は出力リップル電圧に対する設計要件に
依存し、加えて入力コンデンサの選択と同様に、設計者の裁量
を加味して選択します。 出力コンデンサにはセラミック・コンデン
サ、導電性高分子電解コンデンサ、または低 ESR のタンタル・コ
ンデンサなど、低 ESR ( 等価直列抵抗、RESR で示す ) 特性を
持つコンデンサを推奨します。 ESR が高いコンデンサも使用でき
ますが、後述するように追加補償が必要となります。ESR は、次
式で概算されるように出力リップル電圧のピーク・ツー・ピーク値を
決める点からも重要です。
インダクタのリップル電流は次の理由により重要です。まず、スイッ
チ電流のピーク値は、
平均インダクタ電流(入力電流またはILOAD/
D') にリップル電流 ΔiL を加えたものとなるからです。もう 1 つの
理由は、スイッチング・サイクル中にインダクタ電流がゼロに下がる
か、またはリップル電流 ΔiL が平均インダクタ電流よりも大きいと、
不連続動作モードとなってしまうためです。したがって、ΔiL が平
均インダクタ電流よりも小さくなければ連続モードにはなりません。
通常動作時には、スイッチ電流が電流制限値に届かないよう十
分な注意が必要です。したがって、インダクタもそれに応じてイン
ダクタンス値を決めなければなりません。見込まれるピーク・インダ
クタ電流よりも大きな飽和電流定格を持つインダクタを選択しま
す。 全体のリップル電流は出力および入力リップル電圧にも影響
します。
ΔVOUT #2ΔiLRESR (in Volts)
出力コンデンサの推奨値は 10μF 以上です。 出力コンデンサの
容量が決まったら、制御ループに適用されるポールとゼロのペアを
次式によって求めます。
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LM2702
動作原理 ( つづき)
LM2702
動作原理 ( つづき)
RC の値を大きくします。これにより、全体の周波数帯域が改善さ
れ、過渡に対するレギュレータの応答性がより高速になります。よ
り詳しい内容やさらなる最適化が必要な場合は、電流モード DC/
DC スイッチング・レギュレータの電流補償に関してより深い検討を
行ってください。
RL は負荷電流が最大となる最小負荷抵抗です。ゼロの算出式
の分母には出力コンデンサの ESR が含まれているため、ESR が
低いほどゼロの周波数は高くなります。低 ESR のコンデンサの場
合は無視することもできます。ただし、高 ESR のコンデンサを使
用する場合は、「高 ESR 出力コンデンサの補償」を参照してく
ださい。
高 ESR 出力コンデンサの補償
使用する出力コンデンサの ESR が高い場合、または制御ループ
全体の位相マージンを改善したい場合は、ESR が作り出すゼロ
をキャンセルするポールを新しく生成します。 RC と CC の直列ペ
アに対して並列となるように、もう1 つのコンデンサ CC2 を補償端
子 VC とグラウンド間に接続します。これによって作り出されるポー
ルの周波数が、ESR 項を含むゼロ fZ1 の周波数と同じになるよう
に CC2 を決めます。ポールの周波数は次式で与えられます。
右半平面ゼロ
電流モード制御の昇圧レギュレータは、固有の右半平面ゼロ
(RHP ゼロ ) を持ちます。このゼロは、ゲイン・グラフではゼロの
働きを持ち、ロールオフで＋ 20dB/dec ( ディケード ) の特性を生じ
させますが、位相ではポールの働きを持ち、位相グラフからさらに
90 度を引いたものになります。このゼロが制御ループに作用する
と、好ましくない結果を引き起こします。RHP ゼロによる不安定動
作を防ぐには、制御ループの帯域幅を RHP ゼロの周波数の 1/2
以下にしなければなりません。RHP ゼロは次の周波数となります。
fPC2 が fZC の 10 倍以上の周波数でないと本式は有効とはなら
ず、また RC とCC の効果にも影響を与えてしまいます。
設計の検証
最後に設計の検証を行います。 検証では、RHP ゼロの周波数
に比べ帯域が 1/2 以下であることを確認します。これを行うため
に開ループ DC ゲイン ADC を求めます。開ループ・ゲインがわか
れば、− 20dB/dec のスロープを各ポールに引き、＋ 20dB/dec の
スロープを各ゼロに引いてクロスオーバ周波数を視覚的に求めら
れます。ユニティ・ゲインすなわちゲイン 0dB の点でスロープは交
差するので、そこがクロスオーバ周波数になります。クロスオーバ
周波数が RHP ゼロ周波数の 1/2 以下であれば、安定動作に必
要な十分な位相マージンを持っていることを意味します。 前項で
述べたように、CC2 を追加することによっても位相マージンを改善
できます。 ADC の算出式と計算に必要な式を次に示します。
ILOAD は最大負荷電流です。
補償部品の選択
補償部品 RC と CC の選択では、
まず制御ループの低周波ポール
を設定します。
「補償についての序論」で説明した RC および CC
の範囲で単純に値を選び、ポールを 10Hz ∼ 500Hz の範囲に設
定します。生成されるポール周波数は次式によって求められます。
RO はエラー・アンプの出力インピーダンスで、約 1MΩです。RC
は一般に RO に比べてかなり小さいため、上式でそれほどの影響
は与えず、fPC の算出では無視してかまいません。 fZC は出力コ
ンデンサによって作られるポールfP1をキャンセルするために生成し
ます。fP1 の算出式に示されるように、出力コンデンサのポール fP1
は負荷電流 RL に伴って変わるので、ゼロは正確に設定できませ
ん。見込まれる負荷電流の変化に応じて fP1 の周波数範囲を求
め、その中央付近に fZC を設定します。このゼロの周波数は次
式から求められます。
mc # 0.181fs (in V/s)
RC の値は CC で選択した値に応じて選びます。ポール fPC が
10Hz ∼ 500Hz の範囲に収まるよう、必要に応じて推奨値の範囲
で両素子の各定数を変更します。さらに、本データシートの後半
にある「設計の検証」を行った後、性能を最適化するために各
定数を若干変更します。 負荷変動時に出力電圧に現れるリンギ
ングとオーバシュートが最小になるように、試作ハードウェアに対し
て定数を変えて負荷変動に対する過渡応答を調べれば最適な
定数が得られます。このような実験によって、安定でかつ高性能
な回路を設計するようにしてください。 過渡応答を改善するには
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RL は最小負荷抵抗、VIN は最小入力電圧、gm はエラー・アン
プの相互コンダクタンスで「電気的特性」の表に記載されていま
す。また、RDSON は内部スイッチのオン抵抗で「代表的な性能
特性」の “RDSON vs. VIN ” のグラフから求めます。
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Vcom と Gamma の補償
基板レイアウトの考慮事項
LM2702のアンプは、
出力に外部補償を必要とするアーキテクチャ
となっています。アンプ出力に外付け部品が必要かどうかは、
TFT-LCD パネルの等価容量負荷から決まります。 負荷容量が
5nF 以上の場合、TFT-LCD パネルが自分自身を補償するため外
付け部品は必要ありません。分布定数型の抵抗性負荷と容量性
負荷は、アンプの安定性を高め性能を向上させる働きがありま
す。負荷容量が 5nF 未満の場合、負荷自身では安定性を維持
できないため外部補償が必要です。ただし、外部補償によって
アンプの発振や消費電力の増大が起きることはありません。 5nF
以上の単体コンデンサを出力に接続すれば、発振なしにアンプの
安定性を高められます。より大きなスルーレートを必要とするアプリ
ケーションでは、アンプ出力とグラウンド間に、50Ω(RCOM または
RGAMMA) と 1nF (CCOM または CGAMMA) を直列に追加する方
法が適切です。 大容量コンデンサを使用した場合に比べこの回
路は、ゼロが無限容量性負荷を駆動するため、発振を起こさず、
オーバシュートを最小に抑え、大きなスルーレートを実現します。外
部補償によって生まれる位相マージンにより、あらゆる条件で安定
性と良好な性能が保証されます。
LM2702 は単一のグラウンドを採用しています。 帰還、ソフトス
タート、遅延、補償ネットワークは、Figure 3 に示すように GND 端
子に接続されているアナログ・グラウンド・プレーンに接続しなけ
ればなりません。アナログ・グラウンド・プレーンを持たないプリン
ト基板の場合は、帰還、ソフトスタート、遅延、補償ネットワーク
は、Figure 4 に示すように GND 端子に直接接続します。PGND
プレーンにこれらネットワークを接続するとシステム内にノイズを混
入させる原因となり性能に影響を与えます。
入力バイパス・コンデンサ CIN は、レギュレータ IC の近くに配置
しなければなりません。レギュレータ IC の入力リップル電圧の要
因となる配線パターンによる抵抗成分を小さくするためです。さら
に入力電圧の平滑化が必要な場合は、高周波ノイズをグラウンド
にバイパスするため、CIN と並列に 100nF のバイパス・コンデンサ
を VIN の近くに追加します。 同様に、出力コンデンサ COUT もレ
ギュレータ IC の近くに配置しなければなりません。 COUT の配線
パターンは直列抵抗を増加させ、出力リップル電圧と効率に直接
影響します。 帰還ネットワーク抵抗 R1 と R2 は、FB 端子の近く
に配置する一方、帰還信号の配線パターンに対するノイズ・カッ
プリングを最小に抑えるためインダクタからは離して置きます。イン
ダクタとショットキ・ダイオード間の配線は、消費電力の低減と全体
の効率向上のために短くします。
ノイズの影響を受けやすいアプリケーションでは、出力コンデンサ
容量を大きくしたほうが望ましい場合があります。スイッチング・レ
ギュレータの出力をアンプの電源電圧 (AVIN) として使用する場
合、レギュレータの出力リップルがアンプ出力のリップルの要因と
なるからです。
FIGURE 3. Multi-Layer Layout
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LM2702
動作原理 ( つづき)
LM2702
動作原理 ( つづき)
FIGURE 4. Single Layer Layout
アプリケーション情報
FIGURE 5. 5V to 10V TFT Application
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LM2702 TFT パネル・モジュール
外形寸法図
単位は millimeters
TSSOP-16 Pin Package (MTC)
For Ordering, Refer to Ordering Information Table
NS Package Number MTC16
生命維持装置への使用について
弊社の製品はナショナル セミコンダクター社の書面による許可なくしては、生命維持用の装置またはシステム内の重要な部品とし
て使用することはできません。
1. 生命維持用の装置またはシステムとは (a) 体内に外科的に使
用されることを意図されたもの、または (b) 生命を維持ある
いは支持するものをいい、ラベルにより表示される使用法に
従って適切に使用された場合に、これの不具合が使用者に身
体的障害を与えると予想されるものをいいます。
2. 重要な部品とは、生命維持にかかわる装置またはシステム内
のすべての部品をいい、これの不具合が生命維持用の装置ま
たはシステムの不具合の原因となりそれらの安全性や機能
に影響を及ぼすことが予想されるものをいいます。
ナショナル セミコンダクター ジャパン株式会社
本社／〒 135-0042 東京都江東区木場 2-17-16
技術資料（日本語 / 英語）はホームページより入手可能です。
TEL.(03)5639-7300
その他のお問い合わせはフリーダイヤルをご利用下さい。
フリーダイヤル
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