LDO回路の理解：原理、設計のヒント、応用
PCBの電力調整戦略を設計中ですか？ それともボード用のカスタム電源を作成中ですか？ もしそうなら、コンポーネントに送る電力を最適なレベルで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う場合に当てはまります。電源は重要でしょうか？ ライン電圧から取るかバッテリーから取るかに関わらず、システムに最適なレベルで入力電力を制御することは適切です。例えば、バッテリーから電力を取る場合、LDO回路が理想的です。リニアレギュレーターが適切な電圧を提供するからです。また、入力電圧からより低い安定電圧を提供します。
そこで、LDOの要素、動作原理、応用など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（低ドロップアウト）」の略語です。飽和型または低損失型リニアレギュレーターとも呼べます。入力と出力電圧供給間の低PD（電位差）で機能します。
LDOレギュレーターは、好ましい出力電圧よりわずかに大きい入力電圧のみを取れます。このデバイスは可変入力電圧を持つ降圧DC-DCコンバーターだからです。ドロップアウト電圧とは、入力と好ましい出力電圧または電源入力を結ぶ最小の差を指します。
さらに、デバイスの低電力効率にもかかわらず、約1Vの低ドロップアウト電圧で安定動作できます。リニア電圧レギュレーターは、安定した定出力で異なる電圧レベルも提供できます。
また、LDOの出力電圧は、バッテリーの放電、温度、電力損失、負荷インピーダンスに依存しません。例えば、リチウムイオンバッテリーの入力電源範囲は2.7V～4.2V。2.7Vは完全放電、4.2Vは満充電を意味します。バッテリー電圧が3V以下に低下しても、LDOは出力を2.5Vに維持できます。
LDOレギュレーターの構成要素
LDOの要素または主要コンポーネントには：
誤差増幅器
回路図内の誤差増幅器
出典：Wikimedia Commons
LDOの誤差増幅器を設計する場合、可能な限り最小電流を引き出すことが重要。なぜなら、パストランジスタのゲート容量が大きいため。したがって、増幅器の出力抵抗は非常に低くする必要があります。
また、誤差増幅器には二つの入力があります。第一は電圧分割器が出力電圧をスケールダウンしたもの。第二は基準電圧。両入力を比較し終えると、誤差増幅器はパス素子の抵抗を修正します。
パス素子
回路図内のパス素子
出典：Wikimedia Commons
誤差増幅器がフィードバックループ内でパス素子を駆動。パス素子は入力から負荷へ電圧を移動させます。NMOSとPMOSをパス素子として使用できます。
回路を詳しく見ると、Vo(s)がV1(s)に接続されているのがわかります。さらに、PMOSトランジスタは正しく制御するために最小電圧を必要とし、飽和状態を維持します。
最小ドレイン・ソース電圧V2(s)が最小電圧を提供する役割を果たします。しかし、PMOSパス素子は極めて低電圧デバイスには理想的ではないことに注意が必要です。
また、NMOSトランジスタで低ドロップアウト電圧、出力、入力を得られます。NMOSベースのパス素子LDOの利点は、レギュレーターの出力がトランジスタのソースに存在すること。さらに、NMOSはソースフォロワー構成に入ります。
基準電圧
この要素は、誤差増幅器の動作点を設定するあらゆるレギュレーターの出発点を指します。低電源電圧で動作を許可するバンドギャップ型基準電圧を使用できます。
出力コンデンサ
強力な出力コンデンサ
出典：Wikimedia Commons
負荷過渡時、出力コンデンサはLDOが負荷内に電流を移動させることを可能にし、誤差増幅器が設定されます。
また、コンデンサのESRは大きな役割を果たし、コンデンサから負荷へ流れる電圧を制限します。1μFコンデンサでESR範囲（10～300mΩ）で作業する場合、以下のコンデンサタイプが使用可能：
- 低ESRタンタルコンデンサ
- セラミックコンデンサ
- ポリマー電解コンデンサ
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を助けます。また、誤差増幅器を使用して基準電圧と出力電圧の比較を許可します。
LDOの特徴
- 低ノイズレギュレーターは安定した電圧を出力。入力電圧変化の影響を受けずにこれを行う。したがって、ノイズに弱いデバイスへの電圧供給にLDOは最適。
- 外部コンポーネント（抵抗やコンデンサ）を必要とする。
- LDOにはシステムを過熱から保護する電流制限機能がある。
- LDOには出力放電回路があり、出力端子電圧をIC GND近くまで素早く降下・放電させるのを助ける。
- デバイスには熱的シャットダウン機能があり、破壊と劣化を防止。
LDOの動作原理
LDO電圧レギュレーター回路図
LDOの主要コンポーネントは基準電圧源、パス素子、誤差増幅器です。パス素子はPチャネルFETまたはNチャネルです。入力電圧をパス素子（Nチャネルトランジスタ）に適用することから始まります。
その後、トランジスタはリニア領域で動作して入力電圧を低下させます。このプロセスは入力電圧が好ましい出力電圧に達するまで続きます。この時点で、誤差増幅器が結果の出力電圧を認識。その後、誤差増幅器が二つのパラメータ（出力電圧と基準電圧）を比較。
また、誤差増幅器はFETのゲートを正しい動作点に調整。結果として、出力が正確な電圧を持つことを保証。したがって、入力電圧が変化しても誤差増幅器はFETを調整して一定の出力電圧を維持します。
動作条件が定常状態のとき、何が起こるでしょう？ LDOは単純な抵抗として動作。また、イネーブルピンでレギュレーターをオン/オフ可能。この機能はLDO未使用時にバッテリー使用を避けるのに役立ちます。
いつLDOを使用するか？
- 広い入力電圧範囲がある場合、LDOが理想的。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必要あり。また、フィードバックループのPWM信号を調整する必要なし。コンポーネントがスイッチング素子へのフィードバックを必要としないため。
- 入力電圧降下に関わらず、システムに定常出力電力が必要な場合にLDOを使用。
- LDOは出力を好ましい出力電圧に合わせて低減するのにも有用。
その他の高度なLDO回路
高度なLDOはユーザー選択可能な基準電圧を提供することを目的とします。この機能によりデバイスがプログラマブルになります。
通常、LDOはシャントコンデンサを介して高周波をグランドにバイパス。しかし、回路設計者はマルチステージレギュレーターからの出力フィルタリングにより注意を払います。残念ながら、入力フィルタリングには焦点を当てていません。
したがって、EMIフィルターでLDOを強化できます。これにより、デバイスはEMC/CISPR準拠になります。興味深いことに、この機能はスイッチングレギュレーターで高次高調波を生成する際に重要です。
さらに、システム（アナログとデジタル）の電力分配を改善するために他の必要な側面を追加することもできます。
LDO選定のための重要パラメータ
LDOを選択する前に考慮すべき重要なパラメータは以下の通り：
負荷レギュレーション
このパラメータは、異なる負荷条件下で特定の出力電圧を維持する回路の能力を指します。
負荷レギュレーション = ∆Vout / ∆Iout
消費電流（休止電流）
休止は休眠状態。したがって、休止電流はシステムがスタンバイモードで消費する電流。これはバッテリーがデバイスに接続されているときのみ発生。
過渡応答
過渡応答は、負荷電流ステップ変化に対する許容最大出力電圧差を説明。ラインステップ応答とも呼ばれます。このパラメータは以下の関数です：
最大負荷電流 (Iout max)
出力コンデンサのESR
出力コンデンサ値 (Cout)
バイパスコンデンサ (Cb)
過渡応答の式：
∆Vtr, max = (Iout, max / Cout + Cb) ∆t1 + ∆VESR
ラインレギュレーション
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維持する回路の能力。以下のように表現：
ラインレギュレーション = ∆Vout / ∆Vin
PSRR (電源除去比)
LDOのPSSRは、デバイスがAC成分を除去できること。AC成分の好例はリップル電圧。以下の式で表現：
PSRR (dB) = 20 log (Vripple (in) / Vripple (out))
LDO回路の用途
LDO回路は以下の用途で使用できます：
- 高効率リニア電源
- コンピューター
- SMPS後段レギュレーターおよびDC/DCモジュール
- 無線および有線通信
- 自動車用途
- バッテリー駆動デバイス
- VPPレギュレーション / PCMCIA VCC
- 産業用途
- デジタルコア電源
最後に
LDO回路はエレクトロニクス業界で重要な役割を果たします。結局、ほとんどの電源は好ましい電圧を得るためにリニアレギュレーターを必要とします。したがって、入力電圧降下に関わらず定常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コンポーネントを理解できます。LDOレギュレーターについてどう思われますか？ さらなる情報はお気軽にお問い合わせください。
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