- エレクトロニクスのレギュレーターとは何ですか？
- LDOとリニアレギュレータの違い
- LDOの動作
- LDOを選択する際に考慮すべきパラメータ
- LDOの制限
- 次の設計にLDOを使用する必要がありますか？
- 市場で人気のあるLDO
- LDO –サンプルデザイン
- LDO-PCB設計ガイドライン
今日、電子機器のサイズはかつてないほど縮小しています。これにより、スマートウォッチ、フィットネストラッカー、その他のウェアラブルデバイスなどのコンパクトなポータブルデバイスにさまざまな機能を詰め込むことができます。また、牛の監視、資産追跡などのリモートIoTデバイスの展開にも役立ちます。これらすべてのポータブルデバイスに共通することの1つです。それらはバッテリー駆動であるということです。また、デバイスがバッテリー駆動の場合、設計エンジニアは、設計で1ミリボルトごとに節約できるコンポーネントを選択して、使用可能なバッテリージュースでデバイスを長時間実行することが重要です。そのようなコンポーネントが低ドロップアウト電圧レギュレータ（LDO）になると。この記事では、LDOの詳細と、回路設計に適したLDOを選択する方法について説明します。
エレクトロニクスのレギュレーターとは何ですか？
レギュレーターは、何かを調整するデバイスまたは適切に設計されたメカニズムです。ここでは、通常、何かが電流の電圧を指します。主に電子機器で使用されるレギュレータには、スイッチングレギュレータとリニアレギュレータの2種類があります。どちらも動作するアーキテクチャとサブシステムが異なりますが、この記事では説明しません。しかし、簡単に言うと、レギュレータが出力電流を制御している場合、それは電流レギュレータと呼ばれます。同じ側面で、電圧レギュレータは電圧を制御するために使用されます。
LDOとリニアレギュレータの違い
リニアレギュレータは、電源の調整に使用される最も一般的なデバイスであり、私たちのほとんどは7805、LM317などのデバイスに精通しています。ただし、バッテリ駆動のアプリケーションでリニアレギュレータを使用することの欠点は、ここではリニアレギュレータの入力電圧を常に安定化出力電圧よりも高くする必要があることです。つまり、入力電圧と出力電圧の差が大きいということです。したがって、標準のリニアレギュレータには、安定化出力電圧が入力電圧に近い値である必要がある場合にいくつかの制限があります。
LDOの動作
LDOはリニアレギュレータ王朝の一部です。ただし、通常のリニアレギュレータとは異なり、LDOでは入力電圧と出力電圧の差が小さくなります。この差をドロップアウト電圧と呼びます。LDOのドロップアウト電圧は非常に低いため、低ドロップアウト電圧レギュレータと呼ばれます。LDOは、電圧を必要なレベルまで下げるために負荷と直列に接続された線形抵抗器と考えることができます。LDOを使用する利点は、LDOの両端の電圧降下が抵抗よりはるかに小さいことです。
LDOは入力と出力の間のドロップアウト電圧が低いため、入力電圧が出力電圧に比較的近い場合でも機能します。LDOの両端の電圧降下は、最大300mV〜1.5Vになります。一部のLDOでは、電圧差は300mV未満ですらあります。
上の画像は、閉ループシステムが設計された単純なLDO構造を示しています。基準電圧は入力電圧から生成され、差動アンプに供給されます。出力電圧は分圧器によって検出され、再び差動アンプの入力ピンに供給されます。これらの2つの値、基準電圧からの出力と分圧器からの出力に応じて、アンプは出力を生成します。この出力は可変抵抗器を制御します。したがって、この2つの値があれば、アンプの出力が変わる可能性があります。ここで、電圧リファレンスは、他を正確に検出するために安定している必要があります。基準電圧が安定している場合、出力電圧のわずかな変動が抵抗分割器を介して差動アンプの入力に反射します。次に、アンプは可変抵抗を制御して安定した出力を提供します。一方、電圧リファレンスは入力電圧に依存せず、差動アンプ全体に安定したリファレンスを提供するため、過渡変化の影響を受けず、入力電圧に依存しない出力電圧。ここに示されている可変抵抗器は、通常、実際の構造では効率的なMOSFETまたはJFETに置き換えられます。バイポーラトランジスタは、効率の低下につながる電流と発熱の追加要件のため、LDOでは使用されません。
LDOを選択する際に考慮すべきパラメータ
基本的な機能
負荷への適切な電力供給を確保するために不可欠なデバイスであるため、最初の重要な機能は、負荷の調整と安定した出力です。負荷電流の変化中は、適切な負荷調整が不可欠です。負荷が増減しても消費電流はレギュレータからの出力電圧が変動しないようにしてください。出力電圧の変動は、電流1アンペアあたりのmV範囲で測定され、精度と呼ばれます。LDOの出力電圧精度は5mVから50mVの範囲で、出力電圧の数パーセントです。
安全性と保護機能
LDOは、出力全体に適切な電力を供給することにより、基本的な安全機能を提供します。安全機能は、入力と出力の両方で保護回路を使用して調整されます。保護回路は、低電圧保護（UVLO）、過電圧保護（OVLO）、サージ保護、出力短絡保護、および熱保護です。
状況によっては、レギュレータに供給される入力電圧が大幅に低下したり、高い値に上昇したりする場合があります。これにより、LDOからの電圧と電流の出力が不適切になり、負荷が損傷します。LDOの両端の入力電圧が制限を超えると、UVLOおよびOVLO保護がトリガーされ、LDOと負荷が保護されます。UVLOの下限と最大入力電圧制限は、単純な分圧器を使用して設定できます。
サージ保護回路は、過渡現象や高電圧サージまたはスパイクからのLDOに対する耐性を提供します。これは、さまざまなLDOによって提供される追加機能でもあります。出力短絡保護は、過電流保護の一形態です。負荷が短絡すると、LDOの短絡保護機能が負荷を入力電源から切断します。LDOが加熱されると、熱保護が機能します。加熱動作中、熱保護回路はLDOの動作を停止し、LDOへのさらなる損傷を防ぎます。
追加機能
LDOには、マイクロコントローラー入力と通信するための2つの追加ロジックレベル制御ピンを含めることができます。ENと呼ばれることが多いイネーブルピン。これはLDOの入力ピンです。単純なマイクロコントローラは、LDOのENピンの状態を変更して、電力出力を有効または無効にすることができます。これは、アプリケーションの目的でロードをオンまたはオフにする必要がある場合に便利な機能です。
Power Goodピンは、LDOからの出力ピンです。このピンをマイクロコントローラユニットに接続して、電源状態に応じてロジックをローまたはハイにすることもできます。パワーグッドピンの状態に基づいて、マイクロコントローラユニットはLDO全体のパワーステータスに関する情報を取得できます。
LDOの制限
LDOは低ドロップアウト電圧で適切な出力を提供しますが、それでもいくつかの制限があります。 LDOの主な制限は効率です。 LDOは、消費電力と効率の点で標準のリニアレギュレータよりも優れていることは事実ですが、効率が主な関心事であるポータブルバッテリ関連の操作には依然として適していません。入力電圧が出力電圧よりも大幅に高い場合、効率はさらに低下します。電圧降下が大きくなると、熱放散が増加します。熱として変換され、ヒートシンクを必要とする過剰な廃棄エネルギーは、PCB面積の増加と、コンポーネントコストの発生をもたらしました。効率を高めるために、スイッチングレギュレータはリニアレギュレータ、特にLDOよりも依然として最良の選択です。
次の設計にLDOを使用する必要がありますか？
LDOは非常に低いドロップアウト電圧を提供するため、必要な出力電圧が使用可能な入力電圧に非常に近い場合にのみLDOを選択することをお勧めします。以下の質問は、回路設計に実際にLDOが必要かどうかを判断するのに役立ちます
- 希望の出力電圧が利用可能な入力電圧に近いですか？はいの場合、いくらですか？入力電圧と出力電圧の差が300mV未満の場合は、LDOを使用することをお勧めします。
- 目的のアプリケーションで50〜60％の効率が受け入れられますか？
- 低ノイズ電源が必要ですか？
- コストが問題であり、単純で部品点数が少ない場合は、省スペースのソリューションが必要です。
- スイッチング回路を追加するには、費用がかかりすぎてかさばりますか？
上記のすべての質問に「はい」と答えた場合は、LDOが適している可能性があります。しかし、LDOの仕様はどうなるのでしょうか。さて、それは以下のパラメータに依存します。
- 出力電圧。
- 最小および最大入力電圧。
- 出力電流。
- LDOのパッケージ。
- コストと可用性。
- 有効化および無効化オプションが必要かどうか。
- アプリケーションに必要な追加の保護オプション。過電流保護、UVLO、OVLOなど。
市場で人気のあるLDO
Texas Instruments、Linear TechnologyなどのすべてのパワーICメーカーにも、LDO用のソリューションがいくつかあります。Texas Instrumentsには、さまざまな設計ニーズに応じて幅広いLDOがあります。下のグラフは、幅広い出力電流と入力電圧を備えたLDOの膨大なコレクションを示しています。
同様に、 アナログ・デバイセズのリニアテクノロジーにも、高性能の低ドロップアウトレギュレータがいくつかあります。
LDO –サンプルデザイン
LDOが必須となる実際的なケースを考えてみましょう。3.7Vリチウム電池出力を短い電流制限と熱保護を備えた安定した3.3V500mAソースに変換するために、低コストでシンプルな省スペースソリューションが必要であると仮定します。一部の負荷を有効または無効にするには、電源ソリューションをマイクロコントローラーに接続する必要があり、効率は50〜60％になります。シンプルで低コストのソリューションが必要なため、スイッチングレギュレータの設計を除外できます。
リチウム電池は、フル充電状態で4.2V、完全空状態で3.2Vを供給できます。したがって、マイクロコントローラユニットによってLDOの入力電圧を検出することにより、LDOを制御して低電圧状態で負荷を切断することができます。
要約すると、3.3V出力電圧、500mAの電流、ピンオプションの有効化、部品点数の少なさ、約300〜400 mVのドロップアウト要件、出力短絡保護、およびサーマルシャットダウン機能が必要です。このアプリケーションでは、LDOの個人的な選択はMCP1825です。 -マイクロチップによる3.3V固定電圧レギュレータ。
完全な機能リストは、データシートから取られた以下の画像で見ることができます-
以下は、MCP1825の回路図とピン配列です。回路図はデータシートにも記載されているため、抵抗やコンデンサなどのいくつかの外付け部品を接続するだけで、LDOを使用して必要な電圧を最小電圧電圧で簡単に調整できます。
LDO-PCB設計ガイドライン
LDOを脱皮し、設計で機能するようにテストしたら、回路のPCBの設計に進むことができます。以下は、LDOコンポーネント用のPCBを設計する際に覚えておくべきいくつかのヒントです。
- SMDパッケージを使用する場合、LDOは熱を放散するため、PCBに適切な銅領域を提供することが不可欠です。
- 銅の厚さは、トラブルのない操作の主な要因です。2オンス（70um）の銅の厚さが良い選択です。
- C1とC2は、MCP1825にできるだけ近い必要があります。
- ノイズ関連の問題には、厚いグランドプレーンが必要です。
- 両面PCBの適切な熱放散のためにビアを使用してください。