降圧レギュレータがLDOの電力と熱的欠点を克服

設計者は、4-20mA電流ループ設計を利用する産業用センシングやIoTシステムへの給電に、低ドロップアウトレギュレータ（LDO）をデフォルトで選択することがよくあります。しかし、電力効率とスペース制約が求められるアプリケーションにおいて、LDOは次第に非効率的な選択肢となりつつあります。そのため設計者は、特にエネルギー効率、熱性能、バッテリ寿命の延長が重要なアプリケーションでは、降圧レギュレータ（降圧コンバータとしても知られる）への切り替えを検討する必要があります。

4-20mA電流ループは、センサからの測定値をプログラマブルロジックコントローラ（PLC）へ、またPLCからの制御出力をプロセス調整デバイスへ伝送するための堅牢で信頼性の高い方法です。このシステムは、ツイストペアケーブルを使用した長距離で正確かつノイズ耐性のある信号伝送を保証し、さまざまな産業環境に最適です。配線長に関わらず安定した電流が得られる特性から、工場、実験室、リモート監視アプリケーションにおける標準規格として広く採用されています。

電流ループ用途において、LDOとスイッチングレギュレータのトレードオフを評価することは、よりスマートで持続可能な設計を実現できる可能性があります。

LDOは、歴史的に超低ノイズ特性、部品表の簡素化、あるいはわずかな電圧ヘッドルームでの安定化といった利点を従来から提供してきたニッチな用途において、依然として有用です。しかしながら、入力電圧と出力電圧の差を熱として消費するため、本質的に効率が低いという欠点があります。このエネルギー損失は、アプリケーションにおける熱負荷の増加につながり、ポータブルやリモートアプリケーションではバッテリ寿命を著しく低下させる可能性があります。

効率性、熱性能、またはバッテリ稼働時間が重要な場合は、同期整流式降圧コンバータの方が優れた選択肢となる可能性が高くなります。最新の同期整流式降圧コンバータは、ミリアンペア負荷時でも85%～95%の効率を実現し、発熱を大幅に低減します。さらに現在では低µAレンジの静止電流を実現できます。LDOが余分な電圧を熱として放散するのに対し、降圧レギュレータは余分な電圧を効率的に利用可能な電流に変換します。これにより、過熱や無駄なエネルギー消費を招くことなく、より多くの電力を必要とする機能を実現できます。

こうした特性から、降圧レギュレータは、入力ヘッドルームが数ボルト以上ある4-20mAループ、熱効率が求められるシステム、バッテリ駆動のセンサのように限られた電力で長時間動作する必要があるシステムにおいて、最適なソリューションとなります。

設計において、電源電圧が電流ループのトランスミッタが必要とする電圧より6V程度高く、基板上に小型インダクタと出力コンデンサを搭載するスペースがある場合、通常は高効率の同期整流式降圧レギュレータが最適な選択となります。電圧を効率的に降圧し、無駄な熱を最小限に抑え、4-20mAループ内の追加機能に電源を供給するのに十分な電流を確保します。これにより、産業環境において信頼性とエネルギー効率の両方を必要とする最新のトランスミッタに最適です。

降圧型レギュレータの熱的優位性により、大電流、高温の産業用モジュールにおけるヒートシンクの要件が大幅に軽減されます。5μAの降圧レギュレータでさえ、バッテリ電圧のかなりの割合を熱として浪費するLDOよりも効率的です。

ループ駆動

4-20mA電流ループは、現場のセンサとそのデータを利用する制御システム間で情報を伝送する最も一般的な方法の1つです。この信号は、温度、圧力、流量、あるいはバルブを動かすコマンドさえも表すことができます。シンプルで信頼性が高く、長距離でも良好に機能します。

電流ループ（図1）は、計測器（温度センサや圧力センサなど）からの測定信号、あるいは機構を動かしたり調整したりする装置（バルブポジショナなど）への制御信号を伝送することができます。

図1：産業用オートメーション、センサシステム、プロセス制御アプリケーションにおいて、電圧ではなく電流を用いてアナログ信号を伝送する方法を示す4-20 mA電流ループ回路図。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

電流ループには以下の4つの重要な要素で構成されています。

• DC電源：設定に応じて9V、12V、24V、またはそれ以上の電圧が使用されます。この電源は、電流が流れる際にループ内の全コンポーネント（トランスミッタ、レシーバ、配線）が「降下」する電圧以上の余裕（少なくとも約10%増）を供給する必要があります。その後、ローカルレギュレータがこれを降圧して、センサや電子機器に電源を供給します。
• 物理的な世界を表す電気信号を伝送するセンサ側のトランスミッタ：センサは、温度、圧力、距離、その他の物理的な測定値に関する生の信号を生成します。アナログ電圧の場合、トランスミッタの電圧/電流コンバータが4mA～20mAの範囲の比例電流に変換します。デジタルセンサの場合、出力はDACを介してアナログ電流に戻されます。トランスミッタは、LDOや降圧レギュレータなどの独自の電源を備えています。
• 制御側レシーバ：レシーバは4～20mAの信号を読み取り、制御システムが測定、表示、または動作できる電圧に変換します。
• 電源、トランスミッタ、レシーバを直列に接続するループ配線：ループは数千フィートに及ぶ場合があります。2線式システムでは、同じ2本のワイヤが電源電流と信号電流の両方を伝送します。4線式システムでは、電源と信号用に別々のペアを使用します。

電流ループの構成コンポーネントは、温度が-40°C～+105°Cまで変動する過酷な産業環境においても、高精度、高エネルギー効率、高信頼性が求められます。その上、ループの安全性と信頼性を維持するために必要なセキュリティおよびシステムレベルの機能もサポートしなければなりません。

LDOの限界の克服

リニアレギュレータは使いやすく低ノイズですが、余分なエネルギーを熱として浪費し、利用可能な電流には厳しい上限があります。設計者が診断機能、デジタルインターフェース、ローカルインテリジェンスなどの機能をトランスミッタに追加するにつれて、電源需要は増加し、シンプルなLDOが供給できる能力を超える可能性があります。より優れた選択肢は、Analog Devices, Inc.のLT8618シリーズなど、より効率的なスイッチングレギュレータを使用することです。

LT8618は小型ながら強力な降圧コンバータで、産業用、車載用、その他の予測不能な電源環境下にあるアプリケーションを含む過酷な環境向けに設計されています。特に4-20mA電流ループシステムで特に優れた性能を発揮し、超低静止電流、高効率、3.4V～60Vの幅広い入力範囲（連続動作時）、および最大65Vの過渡状態に対応しています。

LT8618ファミリは、幅広い産業用アプリケーションやループ給電システムに適した汎用性の高い降圧レギュレータです。以下にその例を挙げます。

• LT8618EDDB-3.3#TRPBF（図2の回路図参照）は、固定3.3V出力を供給し、産業環境や現場環境で一般的な不安定な電源レールに対応するため、安定した明確な電圧を必要とする設計に最適です。ピーク出力電流は100mAで、センサ、トランスミッタ、その他の補助回路への電源供給に適しています。超低静止電流は、低動作期間中の電力損失を最小限に抑え、システム効率とバッテリ寿命の延長に貢献します。

図2：固定3.3Vを出力するLT8618-3.3を使用した降圧レギュレータの構成。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

• LT8618EDDB#WTRMPBFは、同じ広い入力範囲と100mA出力を提供しますが、0.778V～40Vの範囲で出力を調節可能です。これにより、特に複数の電源レールが必要な場合に、トランスミッタ内部のアナログ、デジタル、リファレンス回路への電源供給に適しています。固定出力型と同様に、高速過渡応答と堅牢な短絡保護およびサーマルシャットダウンを兼ね備え、-40°C～+125°Cの全産業用温度範囲にわたって信頼性の高い動作を保証します。

この柔軟性により、設計者は4-20mA電流ループシステムの電圧と電流要件に最適なレギュレータを選択することができ、信頼性の高い動作を確保しながら発熱と電力損失を最小限に抑えられます。

Burst Mode®動作時の静止電流が2.5µAと低いため、LT8618はループ電力を消費せず、センサ、コンバータ、および通信機器に割り当てられる電力を確保します。この効率と低待機時消費電力の組み合わせにより、電流量を過度に消費することなく機能追加という課題に直接対応します。

4-20mA電流ループトランスミッタでは、プリント基板上のLT8618の近くに小型インダクタと出力コンデンサを配置し、出力フィルタを形成します。これにより電圧が平滑化され、センサとサポート回路の両方に安定した電源が供給されます。24VDCなどの適切な入力電圧は、トランスミッタの動作電圧に対して十分なヘッドルームを提供し、精密なレギュレーションと過渡応答を実現します。これにより、センサ負荷の変化に伴うループ電流の変動時でも安定した電源供給が保証されます。

LT8618は、電流ループの4-20mA制限を超えずに、高度なセンサ、デジタルロジック、セキュリティ機能をサポートするトランスミッタ機能の拡張を可能にします。

過電圧、サーマルシャットダウン、短絡保護などの保護機能が統合されているため、過酷な現場環境でも堅牢な機能を発揮します。LT8618の小型パッケージと最小限の外付け部品により、基板レイアウトが簡素化され、特にスペースに制約のあるトランスミッタにおいて極めて重要です。

まとめ

非効率なリニアレギュレータをADI LT8618のような小型で高効率のスイッチングレギュレータに置き換えることで、設計者はLDOの限界を克服し、最新の産業用アプリケーションが要求する精度、信頼性、温度要件を満たしつつ新たな機能を実現できます。