PWMコントローラーのデューティをクランプ：Design Ideas アナログ機能回路

電流検出トランスなどを利用する電源回路においては、PWMコントローラーからの制御信号のデューティサイクルをクランプする機能が必要となるが、多くの電源回路ではコスト低減のために、その機能を持たないPWMコントローラーが使用される。そこで本稿では、そうしたPWMコントローラーを使う場合に、低コストでクランプ機能を付加するための回路を紹介する。

[Michael O'Loughlin（米Texas Instruments社），EDN Japan]

低コストでクランプ機能を付加する回路

　電流検出トランスや2スイッチ構成のフォワードコンバーターなどを利用する電源回路においては、PWMコントローラーからの制御信号のデューティサイクルをクランプする機能が必要となる。デューティサイクルにクランプをかけなければ、トランスが飽和してシステムに致命的な故障が発生することになるからだ。ところが、多くの電源回路ではコスト低減のために、デューティサイクルのクランプ機能を持たない低価格なPWMコントローラーが使用されている。本稿では、そうしたPWMコントローラーを使う場合に、低コストでクランプ機能を付加するための回路を紹介する。

　図1の回路は、少数の受動部品、ヒステリシス機能を持った1個のコンパレーター「LM311」とMOS FETドライバICの「TPS2828」で構成される。この回路では、デューティサイクルのクランプ値は抵抗R₁とコンデンサーC₁によって決まる。抵抗R₂とダイオードD₁はPWMコントローラーの出力（「UCC28019」であればGATE端子）がローになったときにリセット機能を提供する。抵抗R₃、R₄、R₅はコンパレーターの基準レベルV_TRIPを5Vに設定する。抵抗R₅により、コンパレーターは−2.5Vのヒステリシスを持つことになり、回路の安定性が確保される。

図1：デューティサイクルのクランプ回路 （クリックで拡大）
この簡単な構成の回路により、スイッチングレギュレーターのデューティサイクルを90％にクランプできる。

　ここでは、デューティサイクルの最大値D_MAXを0.9（90％）に設定したい場合を例にとる。PWMコントローラーのスイッチング周波数f_Sは100kHzとしよう。ほとんどのPWMコントローラーは100％のデューティサイクルまで動作せず、一定のデッドタイム（休止期間）D_Tを持つ。この例の場合、デッドタイムは300nsである。最大デューティサイクルD_MAXを0.9にする場合、ドライバ出力をローにすべき時間tは以下の式で求められる。

　デューティサイクルの設定に用いるコンデンサーC₁の値を求めるには、PWMコントローラーの出力V_OUTの最大値が分からなければならない。この例では、最大出力電圧は12Vである。このことから、コンデンサーC₁の値は以下の式で求められる。

　このように計算値は130pFになるが、標準品として提供されているものを用いたいので、本稿の例ではC1に120pFのコンデンサーを選択することにした。

　図2に示したのは、図1の回路のSPICEシミュレーション結果である。

図2：図1の回路に対するSPICEシミュレーションの結果 （クリックで拡大）
デューティサイクルは90 ％にクランプされている。

　図において、V_OUTはPWMコントローラーの出力、V_Tはコンパレーターの反転入力端子の電圧、V_TRIPはコンパレーターの非反転入力端子の電圧、V_GATEはMOSFETドライバICの出力である。図2の波形からドライバ出力V_GATEのデューティサイクルが90％になり、クランプ機能が正常に動作していることを確認することができる。

Design Ideas〜回路設計アイデア集

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※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事から200本を厳選し、5つのカテゴリーに分けて収録した。