R2A20135EVB-ND1　アプリケーションノート　調光対応、PFC機能付100V系R2A20135評価ボード

R2A20135EVB-ND1

調光対応、PFC 機能付 100V 系 R2A20135 評価ボード

1. 概要

R2A20135EVB-ND1 は調光対応の LED 照明用評価用ボードです。本評価ボードは LED 照明用に必要な周 辺回路を搭載しているので、入力電源、調光器と LED 負荷を接続するだけで R2A20135 を評価できます。 ステップダウン/ハイサイドドライブ回路方式 (非絶縁) を採用し、調光対応、高効率/高力率/低 THD/低リッ プル電流を特長とします。 評価時、回路設計時には R2A20135SP データシートおよびアプリケーションノートも合わせてご参照くだ さい。

2. 仕様

No. 項目 仕様 1 入力電圧範囲 AC90∼132V (単相 47∼63Hz) 2 入力電力 9.1W (typ.) 3 出力電圧 (VF) DC35V 4 出力電流 220mA (typ.) 5 効率 85%以上 (@Vin = AC100V) 6 力率 0.9 以上 (@Vin = AC90V∼132V) 7 スイッチング周波数 62kHz 8 動作モード 電流不連続 (スイッチング周波数固定) 9 基板 2 層/ガラスエポキシ (FR4) / 両面実装 10 サイズ (W  D  H) 36mm  36mm  20mm (部品面)

3. ボードシステム図および接続方法

̪ᧄ⹏ଔࡏ࡯࠼ߪᔅߕLED⽶⩄ࠍ಴ജ (TP3, TP4) ߦធ⛯ߒߡߏ૶↪ߊߛߐ޿ޕ ޓή⽶⩄ߢേ૞ߐߖߚ႐วޔ಴ജ㔚࿶߇቟ቯߖߕޔᦨᖡߩ႐วㇱຠ߇⎕៊ߔࠆน⢻ᕈ߇޽ࠅ߹ߔޕ ធ⛯ᣇᴺ ԘTP3, TP4ߦLED⽶⩄ (VF = 35Vޔቯᩰ㔚ᵹ220mAએ਄) ࠍធ⛯ߒߡߊߛߐ޿ޕ  ߘߩ㓙ޔLEDߩᭂᕈߦߏᵈᗧߊߛߐ޿ޕ ԙTP1, TP2ߦAC㔚Ḯࠍធ⛯ߒߡߊߛߐ޿ޕ + Filter TP1: L TP3: LED(+) Q2 TP4: LED(–) PWM FB OUT D3 Cout Rcs L3 GND R2A20135SP R2A20135EVB-ND1 AC IN LED (VF = 35V) Dimmer TP2: N + AC90V ~AC132V R19AN0012JJ0200 Rev.2.00 2012.10.02

4. 部品配置図、基板パターン図

4.1

部品配置、シルク図

࡮ㇱຠ㕙

࡮ඨ↰㕙 (ㇱຠ㕙ⷞ)

4.2

基板パターン図

5. 評価データ

5.1

動作波形

Vin[200V/div]

Iin[200mA/div]

Iout[100mA/div]

࡮Vin = AC90V, VF = 35V, Iout = 220mA ࡮Vin = AC132V, VF = 35V, Iout = 220mA

̪ Vin: ౉ജ㔚࿶ޔIin: ౉ജ㔚ᵹޔIout: ಴ജ㔚ᵹ

Vin[200V/div]

Iin[200mA/div]

Iout[100mA/div]

5.2

力率特性

Power Factor vs. Input Voltage

Power Factor 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 80 90 100 110 120 130 140 Input Voltage [Vrms] ⽶⩄᧦ઙ: VF = 35 V, Iout = 220 mA

5.3

効率特性

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 80 90 100 110 120 130 140

Efficiency vs. Input Voltage

Efficiency [%] Input Voltage [Vrms] ⽶⩄᧦ઙ: VF = 35 V, Iout = 220 mA

5.4

THD (全高調波歪率) 特性

THD vs. Input Voltage 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 THD [%] 80 90 100 110 120 130 140 Input Voltage [Vrms] ⽶⩄᧦ઙ: VF = 35 V, Iout = 220 mA

5.5

入力電力特性

Input Power vs. Input Voltage

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 Input Power [W] 80 90 100 110 120 130 140 Input Voltage [Vrms] ⽶⩄᧦ઙ: VF = 35 V, Iout = 220 mA

5.6

出力電流特性

Output Current vs. Input Voltage

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Output Current [A]

80 90 100 110 120 130 140

Input Voltage [Vrms] ⽶⩄᧦ઙ:

VF = 35 V, Iout = 220 mA

5.7

リーディングエッジタイプの調光特性

Dimming Test 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Phase of Dimmer [deg]

Iout [mA] Phase =Ton T × 180 [deg] T Ton Input Voltage ⺞శེ: WN575159(ࡄ࠽࠰࠾࠶ࠢ㔚Ꮏ500VA)ޔ AC100V౉ജ

5.8

トレーリングエッジタイプの調光特性

Dimming Test 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 0 20 40 60 80 100 120 140 160

Phase of Dimmer [deg]

Iout [mA] Phase =Ton T × 180 [deg] T Input Voltage Ton ⺞శེ: NTELV-600 (LUTRON 600W)ޔ AC100V౉ജ

6. 回路図

ޣᵈޤ࿁〝ቯᢙߪ․ᕈᡷༀߩߚ߼ޔᄌᦝߦߥࠆน⢻ᕈ߇޽ࠅ߹ߔޕ + 2 1 3 3 4 1 R2A20135SP 2 6 5 8 FB COMP RT FB+ VCC OUT GND PWM 7 4 BD1 _MB6S M1F60 RJK4532DPD RJK4532DPD Q1 Q2 D4 HSC1 19 ZD2 RKZ20B2KJ RKZ20B2KJ D3 M1FL40 HRC0203C D2 RKZ4.7B2KJ ZD3 D5 RKH0160AKU D1 1.5mH 1W 1.5 La 1.5mH L1 220 μ H L3 TP4 LED(–) TP3 LED(+) Rb Ra 1W 1.5 R1 TP2 N TP1 L F1 AC250V 0.5A 1/4W 10k R2 1/4W 10k R4 1/4W 667k R5 1/4W 2.2M R10 1/4W 8.2k 150k 1/2W 280 R3 C2 250V 0.47 μF 250V 0.047 μF C1 250V 0.15 μF C4 50V 1000 μF C5 25V 0.1 μF Ca ZD1 25V 33 μF 1000pF C12 0.1 μF C10 1 μF C9 C7 R14 36 R6 47 R7 1 μF C8 R12 51 R8 68k R9 _0.91 R17 2.7k VLED = 35V/ILED = 220m A AC90V~AC132V + –

7. 定数設定

[⸳⸘᧦ઙ] ౉ജ㔚࿶Vin = 90Vac㨪132Vac ಴ജ㔚࿶Vout = 35Vdc ಴ജ㔚ᵹIout = 0.22A L3 Rcs(R9) Q2 Rg D1 AC filter Q1 Cout ACIN ZD2 R5 R4 ZD3 C12 C9 R14 C8 C10 R12 D4 FB D3 LED (VF = 35V) R2A20135SP C7 AC90V ~AC132V COMP RT FB+ VCC OUT GND PWM + – 図 7.1 R2A20135EVB-ND1 回路 周波数固定、平均電流制御の場合、入力電力を一定とする制御方式となります。 入力電力一定制御の場合、コイル L3 に流れる電流は図 7.2 のように不連続となります。 ౉ജ㔚࿶Vin ࠦࠗ࡞㔚ᵹIL ౉ജ㔚ᵹIin T Ton 図 7.2 入力電流コイル電流

7.1

固定発振周波数の選定

一般的に可聴周波数帯を避け (20kHz 以上)、効率を考慮して 100kHz 以下で設定します。 ここでは 60kHz としています。

7.2

発振周波数設定抵抗Rrtの選定

Rrt[kΩ] = (1/fout[kHz]) – (200 × 10 –6₎ 105 × 10–9 より Rrt = 157kと計算され、Rrt = 150kとします。この時の周波数は 62kHz となります。

7.3

電流検出抵抗Rcsの選定

出力電流 Iout と Rcs との関係式は、Rcs = 0.204/Iout で表されます。 設計条件: Iout = 0.22A とする場合の Rcs は、 Rcs = 0.204/0.22 = 0.93[] と計算され、E24 系列の抵抗から 0.91[]を選定します。

7.4

インダクタLの選定

最大オンデューティを算出するためにまず臨界条件を求めます。 最も厳しい条件として、Vin の最小値を 90Vac、Vout を 35V とすると、オンデューティ DONは DON = Vout/(Vin) = 35/(90  2) = 0.275 【注】 *1 Vin 最小、Vout 最小の条件で DONが 0.5 を超える場合は以下の計算は DON = 0.5 として求める。 周波数が 62kHz のため、オン時間 Ton は Ton = DON/fout = 0.275/62kHz = 4.44s

入力電圧 Vin = 90V、出力電力 Pout = 0.22  35 = 7.7W、導通角(*2)_{を 82%とすると、平均入力電流 Iin(ave)は} Iin(ave) = Pout//Vin = 7.7/0.82/90 = 104mA

となり、コイル電流のピーク値は、

IL(peak) = Iin(ave)  2/DON = 0.104  2/0.275 = 0.756A これより、

L = (Vin – Vout)  Ton/Iin(peak) = (90  2 – 35)  4.44s/0.756 = 542H

これ以下のインダクタンスであれば不連続動作となるので、許容誤差、サイズ等を考慮して標準的なイン ダクタンスのラインアップより 220H を選択します。

7.5

FB, COMP端子の外付け回路について

R2A20135EVB-ND1 の周波数特性を図 7.4 に示します。 本制御は、カレントモード (一次遅れ系) なので安定に動作しますが、力率を改善するために、AC 周波数: 50∼60Hz の 2 倍 (100∼120Hz) 以下でループゲインが 0dB となるように図 7.3 の Ccomp を設定することを推 奨します。評価ボードでは Ccomp: 1F としています。 また、スイッチングノイズ等で動作に影響が出る場合は、FB 端子に CR フィルタ (Cf1, Rf1) を挿入するこ とを推奨します。EVB にはあらかじめ 51、0.1F を挿入しています。 FB COMP Rf1 Cf1 Ccomp ࠛ࡜࡯ࠕࡦࡊ + – 図 7.3 FB, COMP 外付け回路

Error-Amp Frequency Characteristics

–80 –60 –40 –20 0 20 40 60 80 0.01 0.1 1 10 100 1000 1000 100000 Frequency [Hz] Gain [dB] –200 –150 –100 –50 0 50 100 150 200 Phase [deg] Gain Phase 120Hz 0dB Ccomp: 1μF 図 7.4 R2A20135EVB-ND1 の周波数特性

8. レイアウトパターン注意事項

FB COMP RT FB+ VCC OUT GND PWM

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

L3 Rcs(R9) Q2 Rg D1 Q1 Cout ZD2 R5 R4 ZD3 C12 R14 C10 R12 D4 C7 D3 R2A20135SP C4 AC filter ACIN LED (VF = 35V) AC90V ~AC132V + – C9 C8 (1) スイッチングノイズの影響を低減するために、IC 周辺回路は引き回しを最小限としてください。 (2) CS ラインは Rcs 直近に接続し、配線を短くしてください。 (3) IC の GND ラインは単独の太いパターンで Rcs 抵抗 (出力側) 直近に配線してください。 また、VCC のパスコン (C7)、RT、FB の抵抗 (R14, R12) も可能な限り IC の直近に配置してください。 (4) Q2 (ドレイン) と C2 (+) の配線は太く短くしてください。 (5) Q2 (ソース) と D3 (カソード) の配線は太く短くしてください。 (6) スイッチング電流が流れるので太く短くしてください。

9. 部品表

Symbol Parts Name Catalog No. Q Rating Manufacturer Note

PWB Printed-wiring board R2A20135EVB-ND1 1 Renesas Electronics

U1 IC R2A20135SP 1 24V Renesas Electronics SOP-8

Q1 FET RJK4532DPD 1 450V 4A Renesas Electronics TO-252 (DPAK)

Q2 FET RJK4532DPD 1 450V 4A Renesas Electronics TO-252 (DPAK)

Q3 TRS No mount

BD1 Bridge diode MB6S 1 600V 0.5A VISHAY TO-269AA (MBS)

D1 Diode M1F60 1 600V 1A Shindengen M1F

D2 SBD HRC0203C-E 1 30V 0.2A Renesas Electronics UFP

D3 FRD M1FL40 1 400V 1.5A Shindengen M1F

D4 Diode HSC119 1 80V 100mA Renesas Electronics UFP

D5 Diode RKH0160AKU 1 Renesas Electronics

ZD1 Zener diode RKZ20B2KJ 1 20V 5mA Renesas Electronics UFP

ZD2 Zener diode RKZ20B2KJ 1 20V 5mA Renesas Electronics UFP

ZD3 Zener diode RKZ4.7B2KJ 1 4.7V 5mA Renesas Electronics UFP

ZD4 Zener diode No mount UFP

Ra Resistor MOSX1CT52A1R5J 1 1W 1.5 KOA Leaded

R1 Resistor MOSX1CT52A1R5J 1 1W 1.5 KOA Leaded

Rb Chip resistor KTR18EZPJ103 1 1/4W 10k Rohm 3216

R2 Chip resistor KTR18EZPJ103 1 1/4W 10k Rohm 3216

R3-1 Chip resistor KTR18EZPJ561 1 1/4W 560 Rohm 3216, paralleling

R3-2 Chip resistor KTR18EZPJ561 1 1/4W 560 Rohm 3216, paralleling

R4-1 Chip resistor KTR18EZPJ105 1 1/4W 1M Rohm 3216, paralleling

R4-2 Chip resistor KTR18EZPJ205 1 1/4W 2M Rohm 3216, paralleling

R5 Chip resistor KTR18EZPJ225 1 1/4W 2.2M Rohm 3216

R6 Chip resistor MCR03EZPFX36R0 1 1/10W 36 Rohm 1608

R7 Chip resistor MCR03EZPFX47R0 1 1/10W 47 Rohm 1608

R8 Chip resistor MCR03EZPFX6802 1 1/10W 68k Rohm 1608

R9 Chip resistor RL1220S-R91-F 1 1/4W 0.91 Rohm 2012

R10 Chip resistor MCR18ERTJ822 1 1/4W 8.2k Rohm 3216

R11 Resistor No mount Leaded

R12 Chip resistor MCR03EZPFX51R0 1 1/10W 51 Rohm 1608

R13 Chip resistor No mount 1608

R14 Chip resistor MCR03EZPFX1503 1 1/10W 150k Rohm 1608

R15 Chip resistor No mount 1608

R16 Chip resistor MCR25JZHJ000 1 1/2W 0 Rohm 3225

R17 Chip resistor MCR18ERTJ272 1 1/4W 2.7k Rohm 3216

Q3 B-E Chip resistor MCR03ERTJ000 1 1/10W 0 Rohm 1608

Ca Ceramic capacitor GRM188B11E104KA01 1 25V 0.1F murata 1608

C1 Ceramic capacitor GR331BD72E473KW01L 1 250V 0.047F murata 3216

C2 Ceramic capacitor GRJ43DR72E474KWJ1L 1 250V 0.47F murata 4532

C4 Ceramic capacitor GR332DD72E154KW01L 1 250V 0.15F murata 3225

C5 Electrochemical capacitor ECA１HHG102 1 50V 1000F Panasonic 12.525, 105°C

C6 Ceramic capacitor No mount 2012

C7 Electrochemical capacitor UPV1E330MFD 1 25V 33F nichicon 510, 105°C

C8 Ceramic capacitor GRM188B31E105KA75B 1 25V 1F murata 1608

10. 雑音端子電圧規格対応

10.1

雑音端子電圧規格 (CISPR15) 対応について

本評価ボードは部品を変更/追加することで、雑音端子電圧規格 (CISPR15) を満足することが可能です。 ただし、効率、力率等の基本特性が悪化します。これらの特性は、雑音端子電圧対策とトレードオフの関 係となりますので、貴社使用条件に応じて各回路定数を調整してください。 10.1.1 雑音端子電圧対応回路図 + 2 1 3 3 4 1 R2A20135SP 2 6 5 8 FB COMP RT FB+ VCC OUT GND PWM 7 4 BD1 MB6S M1F60 RJK4532DPD RJK4532DPD Q1 Q2 D4 HSC119 ZD2 RKZ20B2KJ RKZ20B2KJ D3 M1FL40 HRC0203C D2 RKZ4.7B2KJ ZD3 D5 RKH0160AKU D1 3.3mH 1W 11 L2 3.3mH L1 220μH L3 TP3 LED(+) TP4 LED(–) Rb Ra 1W 11 R1 TP2 N TP1 ޣᵈޤ : ᮡḰߩ࿁〝߆ࠄㇱຠᄌᦝ/ㅊട L F1 AC250V 0.5A 1/4W 10k R2 1/4W 10k R4 1/4W 667k R5 1/4W 2.2M R10 1/4W 8.2k 150k 1/2W 280 R3 C2 250V 0.47 μ F 250V 0.047 μ F C1 250V 0.1 μ F Cb 250V 0.22 μ F C4 50V 1000 μ F C5 25V 0.1 μ F Ca ZD1 25V 33 μ F 1000pF C12 0.1 μ F C10 1μ F C9 C7 R14 36 R6 47 R7 1μ F C8 R12 51 R8 68k R9 0.91 R17 2.7k + – 10.1.2 変更/追加部品一覧

Symbol Parts Name Catalog No. Q Rating Manufacturer

Ra Resistor MOS1CT52A110J 1 1W 11 KOA

R1 Resistor MOS1CT52A110J 1 1W 11 KOA

Cb Ceramic capacitor GRJ31CR72E104KWJ3L 1 250Vdc 0.1F murata C4 Ceramic capacitor GRJ32DR72E224KWJ1L 1 250Vdc 0.22F murata L1 Inductor TSL0808S-332KR14-PF 1 0.14A 3.3mH TDK L2 Inductor TSL0808S-332KR14-PF 1 0.14A 3.3mH TDK

10.2

雑音端子電圧測定結果 (CISPR15)

 Vin = AC100V, 60Hz, LED load (VF = 35V), Iout = 220mA

0 120 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 [dB(μV)] <CISPR15> Limit(QP) Limit(AV) Range(N,PK) Range(L1,PK) Candidate of interference(N) Candidate of interference(L1) Interference level-QP(N) Interference level-AV(N) Interference level-QP(L1) Interference level-AV(L1) Level 0.01 0.10 1.00 10.00 30.00 Frequency [MHz] N Phase

---No. Frequency Reading Reading c.f Result Result Limit Limit Margin Margin

QP CAV QP CAV QP AV QP CAV

[MHz] [dB(μV)] [dB] [dB(μV)] [dB(μV)] [dB(μV)] [dB(μV)] [dB(μV)] [dB] [dB] 1 0.06129 70.2 68.7 10.0 80.2 78.7 88.1 7.9 2 0.1838 44.3 37.8 10.1 54.4 47.9 64.3 54.3 9.9 6.4 3 0.73582 28.7 21.5 10.2 38.9 31.7 56.0 46.0 17.1 14.3 4 1.22699 29.1 21.0 10.2 39.3 31.2 56.0 46.0 16.7 14.8 5 1.28551 30.8 20.0 10.2 41.0 30.2 56.0 46.0 15.0 15.8 6 1.34795 30.3 18.5 10.2 40.5 28.7 56.0 46.0 15.5 17.3 L1 Phase

---No. Frequency Reading Reading c.f Result Result Limit Limit Margin Margin

QP CAV QP CAV QP AV QP CAV

[MHz] [dB(μV)] [dB] [dB(μV)] [dB(μV)] [dB(μV)] [dB(μV)] [dB(μV)] [dB] [dB] 1 0.0615 61.6 60.7 10.0 71.6 70.7 88.1 16.5 2 0.18374 45.1 37.7 10.1 55.2 47.8 64.3 54.3 9.1 6.5 3 0.73587 33.9 26.6 10.2 44.1 36.8 56.0 46.0 11.9 9.2 4 1.22711 35.8 27.6 10.2 46.0 37.8 56.0 46.0 10.0 8.2 5 1.2878 36.6 26.6 10.2 46.8 36.8 56.0 46.0 9.2 9.2 6 1.34844 37.2 25.2 10.2 47.4 35.4 56.0 46.0 8.6 10.6

 Vin = AC120V, 60Hz, LED load (VF = 35V), Iout = 220mA

<CISPR15> Limit(QP) Limit(AV) Range(N,PK) Range(L1,PK) Candidate of interference(N) Candidate of interference(L1) Interference level-QP(N) Interference level-AV(N) Interference level-QP(L1) Interference level-AV(L1) 0.01 0.10 1.00 10.00 30.00 0 120 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 [dB(μV)] Level N Phase

---No. Frequency Reading Reading c.f Result Result Limit Limit Margin Margin

QP CAV QP CAV QP AV QP CAV

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