JAJSLI0 March   2022 LM5143

PRODUCTION DATA  

  1. 1 特長
  2. 2 アプリケーション
  3. 3 概要
  4. 4 改訂履歴
  5. 5 概要 (続き)
  6. 6 デバイス比較表
  7. 7 ピン構成と機能
  8. 8 仕様
    1. 8.1 絶対最大定格
    2. 8.2 ESD 定格
    3. 8.3 推奨動作条件
    4. 8.4 熱に関する情報
    5. 8.5 電気的特性
    6. 8.6 スイッチング特性
    7. 8.7 標準的特性
  9. 9 詳細説明
    1. 9.1 概要
    2. 9.2 機能ブロック図
    3. 9.3 機能説明
      1. 9.3.1  入力電圧範囲 (VIN)
      2. 9.3.2  高電圧バイアス電源レギュレータ (VCC、VCCX、VDDA)
      3. 9.3.3  イネーブル (EN1、EN2)
      4. 9.3.4  パワー・グッド・モニタ (PG1、PG2)
      5. 9.3.5  スイッチング周波数 (RT)
      6. 9.3.6  クロック同期 (DEMB)
      7. 9.3.7  同期出力 (SYNCOUT)
      8. 9.3.8  スペクトラム拡散周波数変調 (DITH)
      9. 9.3.9  設定可能なソフトスタート (SS1、SS2)
      10. 9.3.10 出力電圧の設定ポイント (FB1、FB2)
      11. 9.3.11 最小制御可能オン時間
      12. 9.3.12 エラー・アンプと PWM コンパレータ (FB1、FB2、COMP1、COMP2)
      13. 9.3.13 スロープ補償
      14. 9.3.14 インダクタ電流センス (CS1、VOUT1、CS2、VOUT2)
        1. 9.3.14.1 シャント電流センシング
        2. 9.3.14.2 インダクタ DCR 電流センシング
      15. 9.3.15 ヒカップ・モード電流制限 (RES)
      16. 9.3.16 ハイサイドおよびローサイド・ゲート・ドライバ (HO1/2、LO1/2、HOL1/2、LOL1/2)
      17. 9.3.17 出力構成 (MODE、FB2)
        1. 9.3.17.1 独立したデュアル出力動作
        2. 9.3.17.2 単一出力インターリーブ動作
        3. 9.3.17.3 単一出力多相動作
    4. 9.4 デバイスの機能モード
      1. 9.4.1 スタンバイ・モード
      2. 9.4.2 ダイオード・エミュレーション・モード
      3. 9.4.3 サーマル・シャットダウン
  10. 10アプリケーションと実装
    1. 10.1 アプリケーション情報
      1. 10.1.1 パワートレイン・コンポーネント
        1. 10.1.1.1 降圧インダクタ
        2. 10.1.1.2 出力コンデンサ
        3. 10.1.1.3 入力コンデンサ
        4. 10.1.1.4 パワー MOSFET
        5. 10.1.1.5 EMI フィルタ
      2. 10.1.2 エラー・アンプと補償
    2. 10.2 代表的なアプリケーション
      1. 10.2.1 設計 1 演算アプリケーション向け 5V および 3.3V デュアル出力降圧レギュレータ
        1. 10.2.1.1 設計要件
        2. 10.2.1.2 詳細な設計手順
          1. 10.2.1.2.1 WEBENCH® ツールによるカスタム設計
          2. 10.2.1.2.2 Excel クイックスタート・ツールによるカスタム設計
          3. 10.2.1.2.3 インダクタの計算
          4. 10.2.1.2.4 電流検出抵抗
          5. 10.2.1.2.5 出力コンデンサ
          6. 10.2.1.2.6 入力コンデンサ
          7. 10.2.1.2.7 補償部品
        3. 10.2.1.3 アプリケーション曲線
      2. 10.2.2 設計 2 - サーバー・アプリケーション向け 2 相、15A、2.1MHz 単一出力降圧レギュレータ
        1. 10.2.2.1 設計要件
        2. 10.2.2.2 詳細な設計手順
        3. 10.2.2.3 アプリケーション曲線
      3. 10.2.3 設計 3 - ASIC 電力アプリケーション向けの 2 相、50A、300kHz、単一出力降圧レギュレータ
        1. 10.2.3.1 設計要件
        2. 10.2.3.2 詳細な設計手順
        3. 10.2.3.3 アプリケーション曲線
  11. 11電源に関する推奨事項
  12. 12レイアウト
    1. 12.1 レイアウトのガイドライン
      1. 12.1.1 出力段レイアウト
      2. 12.1.2 ゲート・ドライブ・レイアウト
      3. 12.1.3 PWM コントローラのレイアウト
      4. 12.1.4 熱設計およびレイアウト
      5. 12.1.5 グランド・プレーン設計
    2. 12.2 レイアウト例
  13. 13デバイスおよびドキュメントのサポート
    1. 13.1 デバイスのサポート
      1. 13.1.1 サード・パーティ製品に関する免責事項
      2. 13.1.2 開発サポート
        1. 13.1.2.1 WEBENCH® ツールによるカスタム設計
    2. 13.2 ドキュメントのサポート
      1. 13.2.1 関連資料
        1. 13.2.1.1 PCB レイアウトについてのリソース
        2. 13.2.1.2 熱設計についてのリソース
    3. 13.3 ドキュメントの更新通知を受け取る方法
    4. 13.4 サポート・リソース
    5. 13.5 商標
    6. 13.6 静電気放電に関する注意事項
    7. 13.7 用語集
  14. 14メカニカル、パッケージ、および注文情報

パッケージ・オプション

メカニカル・データ（パッケージ｜ピン）
サーマルパッド・メカニカル・データ
発注情報

10.1.1.4 パワー MOSFET

パワー MOSFET の選択は、DC/DC レギュレータの性能に大きな影響を及ぼします。MOSFET は低オン抵抗 RDS(on) を内蔵しているため導通損失を低減し、同時に寄生容量が小さいため遷移時間が短くなり、スイッチング損失が低くなります。通常、MOSFET の RDS(on) が低くなるほど、ゲートの電荷と出力の電荷 (それぞれ QG と QOSS) は高くなり、逆もまた同じです。そのため、一般的に RDS(on) と QG の積は MOSFET の性能指数として規定されます。使用されているパッケージの熱抵抗が低いため、MOSFET の消費電力によって MOSFET のダイ温度が過剰な高温になることはありません。

LM5143 アプリケーションでパワー MOSFET の選択に影響を与える主なパラメータは次のとおりです。

  • RDS(on) (VGS = 5V の場合)
  • ドレイン - ソース間電圧定格 BVDSS は、最大入力電圧に応じて、標準で 40V、60V、80V です。
  • VGS = 5V におけるゲート電荷パラメータ
  • 関連入力電圧における出力電荷 QOSS
  • ボディ・ダイオードの逆回復電荷 QRR
  • ゲート・スレッショルド電圧 VGS(th)。MOSFET データシートの QG と VGS のプロットにおけるミラー・プラトーから算出されます。ミラー・プラトー電圧は通常 2V～3V の範囲にあるため、LM5143 の 5V ゲート・ドライブの振幅によって、オン時には MOSFET は十分強化され、オフ時には Cdv/dt 貫通に対するマージンが確保されます。

1 つのチャネルの MOSFET 関連の電力損失は、表 10-1 に示す式に集約されます。この式の添え字の 1 と 2 は、それぞれハイサイドとローサイド MOSFET のパラメータを表しています。インダクタのリップル電流の影響を考慮する場合でも、寄生インダクタンスや SW ノードのリンギングなどの 2 次損失モードは含まれません。『LM5143 クイックスタート・カリキュレータ』を参照してください。電力損失の計算に役立つカリキュレータは、LM5143 製品フォルダからダウンロードすることができます。

表 10-1 MOSFET の電力損失
電力損失モード ハイサイド MOSFET ローサイド MOSFET
MOSFET の導通(2)(3) GUID-6B479E60-EF14-436F-B1F8-93B8AF626552-low.gif GUID-3C64A1B4-3335-48D9-9558-3D632DA634D0-low.gif
MOSFET のスイッチング GUID-4C4704BA-0590-4CB9-943C-9E9E057F1E85-low.gif 無視できる範囲
MOSFET のゲート・ドライブ(1) GUID-A59FF61E-213E-436F-81E4-D456CCEFD379-low.gif GUID-8ED20F4E-6D39-46CD-8466-3FE94ED9ED61-low.gif
MOSFET の出力電荷(4) GUID-14930524-D155-409D-99E6-2791C56DBBC0-low.gif 無視できる範囲
ボディ・ダイオード
導通		 該当なし GUID-1C353694-5B9D-48C5-B292-FB4CF04E3769-low.gif
ボディ・ダイオード
の逆回復(5)		 GUID-D3FA1ABC-B792-43CC-96E9-3F318BC4E1F6-low.gif
(1) ゲート・ドライブ損失は、MOSFET の内部ゲート抵抗、外付けの直列ゲート抵抗、LM5143 の関連ドライバ抵抗に基づき分配されます。
(2) MOSFET の RDS(on) の正の温度係数は、約 4500ppm/℃です。MOSFET の接合部温度 TJ と、周囲温度と比べて接合部温度がどれだけ上昇するかは、デバイスの総消費電力とその熱インピーダンスに依存します。最小入力電圧や、それに近い電圧で動作する時には、MOSFET の RDS(on) は利用可能なゲート・ドライブ電圧の定格になります。
(3) D' = 1-D は、デューティ・サイクルの補数です。
(4) MOSFET の出力容量 Coss1 と Coss2 は、電圧に対して高度な非線形となります。これらの容量は、ハイサイド MOSFET ターンオフ時のインダクタ電流によりロスレスで充電されます。ただし、ターンオン時には電流は入力から流れるため、ローサイド MOSFET の出力容量が充電されます。Coss1 のエネルギー Eoss1 はターンオン時に消費されますが、Coss2 に保存されているエネルギー Eoss2 で相殺されます。詳細については、『GaN FET とシリコン MOSFET における DC-DC コンバータ性能のデッドタイム効果の比較』 ECCE 2016 を参照してください。
(5) MOSFET ボディ・ダイオードの逆回復電荷 QRR は、さまざまなパラメータ、特に順方向電流、電流遷移速度、温度に依存します。

ハイサイド (制御) MOSFET は、PWM のオン時間 (または D 間隔) 中にインダクタ電流を流し、通常はスイッチング損失のほとんどはここで発生します。そのため、導通損失とスイッチング損失への関与のバランスを取るハイサイド MOSFET を選択する必要があります。ハイサイド MOSFET の総消費電力は、以下の合計になります。

  • 導通による損失
  • スイッチング (電圧と電流の重複)
  • 出力電荷量
  • 通常、ボディ・ダイオードの逆回復に起因する正味の損失の 3 分の 2

ローサイド (同期) MOSFET は、ハイサイド MOSFET がオフ (または 1-D 間隔) のときにインダクタ電流を流します。ローサイド MOSFET はゼロ電圧でスイッチングするため、スイッチング損失は無視できます。電流はチャネルからボディ・ダイオードへ整流されますが、遷移デッドタイム中は逆方向にも整流されます。LM5143 は適応型ゲート・ドライブ・タイミングを使用しているため、両方の MOSFET がオフのときに、ボディ・ダイオードの導通損失を最小に抑えます。この損失は、スイッチング周波数に正比例します。

ステップダウン比の高いアプリケーションでは、スイッチング時間の大部分でローサイド MOSFET は電流を流します。そのため、高効率を実現するには、低 RDS(on) のときにローサイド MOSFET を最適化する必要があります。導通損失が大きすぎる場合、または目標とする RDS(on) が単一の MOSFET で実現可能な値より低い場合は、2 つのローサイド MOSFET を並列に接続します。ローサイド MOSFET の総消費電力は、チャネル導通、ボディ・ダイオード導通、ボディ・ダイオードの逆回復に起因する正味の損失の通常 3 分の 1 の合計になります。LM5143 は、テキサス・インスツルメンツの NexFET™ パワー MOSFET のポートフォリオを駆動するのに最適です。