LDO 回路:基本、動作原理、およびアプリケーション

PCB の電力調整戦略を設計していますか?または、ボード用のカスタム電源の作成に取り組んでいますか?はいの場合、コンポーネントに送る電力を制御する最善の方法を検討することが重要です。これは、特に高速デジタル システムを扱っている場合に当てはまります。では、電源は重要ですか？ライン電圧またはバッテリーのいずれから電力を取得する場合でも、入力電力をシステムに最適なレベルに制御することが重要です。たとえば、バッテリからの電力を使用している場合は、LDO 回路が理想的です。それは、リニア レギュレータが適切な電圧を提供するためです。さらに、入力電圧より低い安定した電圧を提供します。

とはいえ、その要素、動作原理、アプリケーションなどを強調して、LDO について詳しく説明します。

始めましょう!

LDO とは?

LDOはLow Dropoutの頭文字です。リニアレギュレータの飽和型または低損失型と呼ぶこともできます。また、入力電圧供給と出力電圧供給の間の低い PD (電位差) で機能します。

LDO レギュレータは、優先出力電圧よりも少し大きい入力電圧のみを受け取ることができます。それは、デバイスが可変入力電圧の降圧 DC-DC コンバータであるためです。したがって、ドロップアウト電圧は、入力と優先出力電圧または電源入力をリンクする最小分散を指します。

さらに、デバイスの電力効率が低いにもかかわらず、約 1V の低ドロップアウト電圧で安定して動作できます。リニア電圧レギュレーターは、安定した一定の出力でさまざまな電圧レベルを提供することもできます。

さらに、LDO の出力電圧は、バッテリの放電、温度、電力損失、および負荷インピーダンスに依存しません。たとえば、リチウムイオン電池の入力電源範囲は 2.7V ～ 4.2V です。 2.7V は完全に放電されたバッテリーを意味し、4.7V は完全に充電されたバッテリーを意味します。そのため、バッテリ電圧が 3V を下回っても、LDO は出力を 2.5V に維持できます。

LDO レギュレータの要素は何ですか?

LDO の要素または主要なコンポーネントには、以下が含まれます。

エラー アンプ

回路図のエラー アンプ

出典:ウィキメディア コモンズ

LDO のエラー アンプを設計する場合は、できるだけ電流を少なくすることが重要です。なんで？パストランジスタのゲート容量が大きいためです。したがって、アンプの出力抵抗は非常に低くする必要があります。

また、エラーアンプには 2 つの入力があります。 1 つ目は、分圧器が出力電圧を低くスケーリングする場合です。次に、基準電圧です。そのため、両方の入力の比較が終了すると、エラー アンプはパス エレメントの抵抗を変更します。

パス要素

回路図のパス要素

出典:ウィキメディア コモンズ

エラー アンプは、フィードバック ループ内のパス エレメントを駆動します。また、パス要素は、電圧を入力から負荷に移動するのに役立ちます。さらに、NMOS と PMOS をパス要素として使用できます。

回路をよく見ると、V_o(s) V_1(s) に接続します .さらに、PMOS トランジスタは、正しく調整するために最小電圧を必要とし、濡れたままになります。

そして最小のドレイン - ソース間電圧 V_2(s) 最小の電圧を与える責任があります。ただし、PMOS パス エレメントは非常に低電圧のデバイスには適していないことに注意してください。

また、NMOSトランジスタで低ドロップアウト電圧、出力、入力が得られます。パス エレメント ベース (NMOS) LDO の利点は、レギュレータの出力がトランジスタのソースに存在することです。また、NMOSはソースフォロワ構成に入ります。

電圧リファレンス

この要素は、エラーアンプの動作点を設定するため、レギュレータの開始点を指します。また、バンドギャップタイプの電圧基準を使用することもできます。これは、低い供給電圧で動作できるためです。

出力コンデンサ

強力な出力コンデンサ

出典:ウィキメディア コモンズ

負荷過渡が発生した場合、出力コンデンサによって LDO が負荷内の電流を移動できるようになり、エラー アンプが設定されます。

また、コンデンサの ESR は、コンデンサから負荷に流れる電圧の流れを制限するため、大きな役割を果たします。そのため、ESR 範囲 (10 ～ 300m オーム) の 1µF コンデンサを使用している場合は、次の種類のコンデンサを使用できます。

• 低 ESR タンタル コンデンサ
• セラミックコンデンサ
• 高分子電解コンデンサ

フィードバック

この要素は、出力電圧をスケールダウンするのに役立ちます。さらに、誤差増幅器を使用して基準電圧と出力電圧を比較できます。

LDO の機能

1. 低ノイズレギュレータは安定した電圧を出力できます。また、入力電圧の変化の影響を受けることなくこれを行います。そのため、LDO はノイズが発生しやすいデバイスに電圧を供給するのに最適です。
2. デバイスには、いくつかの外付けコンポーネント (抵抗器またはコンデンサー) が必要です。
3. LDO には過熱からシステムを保護する電流制限機能があります。
4. LDO には出力放電回路があり、急速に放電して出力端子電圧を IC GND の近くまで下げるのに役立ちます。
5. デバイスにはサーマル シャットダウン機能があり、破壊や劣化を防ぐのに役立ちます。

LDO の仕組み

LDO電圧レギュレータ回路図

LDO の主なコンポーネントは、基準電圧源、パス エレメント、エラー アンプです。また、パス素子は P チャネル FET または N チャネルのいずれかです。そこで、入力電圧をパス素子（Nチャネルトランジスタ）に印加することから始めます。

次に、トランジスタは線形領域で動作し、入力電圧を下げます。このプロセスは、入力電圧が適切な出力電圧になるまで続きます。この時点で、エラーアンプは結果として生じる出力電圧を認識します。その後、誤差増幅器が 2 つのパラメータ (出力電圧と基準電圧) を比較します。

また、エラー アンプは FET のゲートを正しい動作点に変更します。その結果、出力が正確な電圧を持つことを保証するのに役立ちます。したがって、誤差増幅器は、入力電圧が変化したときに出力電圧が一定になるように FET を調整します。

動作条件が定常状態にある場合はどうなりますか? LDO は単純な抵抗として機能します。さらに、Enable ピンを使用してレギュレータをオンまたはオフにすることができます。この機能は、LDO が使用されていないとき、ユーザーがバッテリーの使用を避けるのに役立ちます。

LDO はいつ使用しますか?

1. 入力電圧範囲が広い場合は、LDO が理想的です。ただし、電源から安定した電圧出力を得ることを考慮することが不可欠です。また、フィードバック ループで PWM 信号を調整する必要はありません。これは、コンポーネントがスイッチング エレメントへのフィードバックを必要としないためです。
2. 入力電圧降下に関係なく、システムの出力電力を一定にする必要がある場合は、LDO を使用できます。
3. LDO は、出力を下げて適切な出力電圧に合わせるのにも役立ちます。

その他の高度な LDO 回路

高度な LDO は、ユーザーが選択可能な基準電圧を提供することを目的としています。この関数は、デバイスをプログラム可能にします。

通常、LDO は高周波をグランドにバイパスできます。そして、それはすべて、出力に対して対角線上にあるシャント コンデンサのおかげです。しかし、回路設計者は、多段レギュレータからの出力をフィルタリングすることにもっと注意を払います。残念ながら、彼らは入力フィルタリングに焦点を当てていません.

したがって、EMI フィルタを使用して LDO をブーストできます。そうすれば、デバイスは EMC/CISPR に準拠します。興味深いことに、この機能は、スイッチング レギュレータで高次の高調波を生成するために重要です。

さらに、システム (アナログおよびデジタル) の配電を改善するために必要なその他の要素を追加することもできます。

LDO を選択するための重要なパラメータ

LDO を選択する前に考慮すべき重要なパラメータは次のとおりです。

負荷変動

このパラメータは、さまざまな負荷条件下で特定の出力電圧を維持する回路の能力を表します。

負荷変動 =ΔVout/ΔIout

静止電流

静止は休眠状態です。したがって、静止電流は、システムがスタンバイ モードで電流を引き込むときです。また、これはバッテリーがデバイスに接続されている場合にのみ発生します。

過渡応答

過渡応答は、負荷電流のステップ変化に対する最大許容出力電圧差を表します。ライン ステップ応答を呼び出すこともできます。このパラメータは次の関数です:

最大負荷電流 (I_{out max} )

出力コンデンサのESR

出力コンデンサ値 (C_out )

バイパスコンデンサ (C_b )

過渡応答の方程式は次のとおりです。

ΔVtr, max =(Iout, max / Cout + Cb) Δt1 + ΔVESR

回線規制

ラインレギュレーションは、異なる入力電圧で特定の出力電圧を保持する回路の能力です。そして、次のように表現できます:

回線規制 =∆Vout / ∆Vin

PSRR (電源除去比)

LDO の PSSR は、デバイスが AC 要素を破棄できるときです。 AC 要素の良い例はリップル電圧です。したがって、以下の式で表すことができます:

PSRR (dB) =20 log (リップル (イン)/リップル (アウト))

LDO回路の応用

次のアプリケーションで LDO 回路を使用できます。

• 高効率リニア電源
• コンピューター
• SMPS ポスト レギュレータおよび DC/DC モジュール
• 無線および有線通信
• 自動車用途
• バッテリー駆動のデバイス
• VPP規制/ PCMCIA VCC
• 産業用途
• デジタル コアの供給

最後の言葉

LDO 回路は、エレクトロニクス業界で重要な役割を果たしています。結局のところ、ほとんどの電源は、適切な電圧を得るためにリニア レギュレータを必要とします。したがって、このデバイスは、入力電圧降下に関係なく一定の出力電力を必要とするプロジェクトに最適です。

また、回路図を参照して主要なコンポーネントを理解することもできます。 LDOレギュレーターについてどう思いますか?詳細については、お気軽にお問い合わせください。