高度なLDOを使用してIoTワイヤレスセンサ電源設計の問題に対処

Digi-Keyの北米担当編集者 の提供

モノのインターネット(IoT)は、ワイヤレスセンサのモニタリングパラメータ(温度、湿度、圧力、振動、加速度、大気質、光度など)のネットワークに大きく依存します。これらのワイヤレスセンサには、Bluetooth Low Energy(Bluetooth LE)やZigbeeなど、小量、低デューティサイクルデータ交換を特徴とする短距離RF技術が採用されています(ライブラリの記事「低電力ワイヤレステクノロジの比較」を参照してください)。

これらのワイヤレスセンシングの使用モデルとパワープロファイルは、電源の設計者に、サイズ、コスト、信頼性、安定性、効率性の面で固有の問題をもたらします。

この記事では、これらの問題の原因について説明します。その後、最新の低ドロップアウト(LDO)リニアレギュレータソリューションの例を紹介し、それらのソリューションでワイヤレスIoTセンサの電源に良好な基盤を提供できる理由を説明します。また、設計者がこれらの最新ソリューションを活用して、より確実に適切な設計を行うことができるようにするガイドラインも示します。

スイッチングレギュレータまたはLDOの選択

IoTワイヤレスセンサは、次の理由から電源設計者に問題をつきつけます:

  • 通常は小さ目のサイズのバッテリ電池から電力を供給されるが、長いバッテリ寿命も必要
  • 長時間低電力スリープモード状態にあり、瞬時に起動してデータを送受信するとすぐにスリープモードに戻る
  • 通常はRFトランシーバとマイクロコントローラの両方が単一のチップに統合されている
  • 小さな信号変化を測定する
  • 多数導入されるため、比較的低コストで手間がかからないことが必要

センサへの電力供給について、設計者には、スイッチング電圧レギュレータ、LOD、またはその両方の組み合わせの3つの選択肢があります。それぞれの選択肢には何らかのトレードオフがあるため、簡単には選択できません。

たとえば、スイッチング電圧レギュレータは高効率であり、バッテリ寿命を延ばすには適した選択肢です。しかし、これらのレギュレータは、ワイヤレスセンサが「スリープ」モードなどの低負荷状態では効率が下がります。そして、このモードは電力の節約のため、高い頻度で使用されるモードです。また、スイッチングレギュレータは複雑であるため、設計サイクル時間と予想コストの両方を押し上げることになります。さらに、スイッチングレギュレータの高周波動作によって生じる電磁干渉(EMI) は、影響を受けやすいワイヤレスシステムオンチップ(SoC)のマイクロコントローラやトランシーバに影響を与える可能性があります。最後に、この干渉はセンサからの小さな信号変化にも影響を与え、測定精度が制限される可能性があります。

一方、LDOリニアレギュレータではごくわずかなEMIしか発生せず、比較的シンプルかつ低コストで利用できます。しかし、可変の入力電圧と負荷範囲において、LDOは一般的にスイッチングレギュレータより効率が下がります。さらに、スイッチングレギュレータの昇降圧トポロジとは異なり、ステップダウン(「降圧」)構成でしか使用できません。これによって、利用可能なバッテリ容量が制限される可能性があります。

LDOは、ワイヤレストランシーバがスリープ状態から急速に起動する場合など、高速の負荷の変化に対してわずかな過渡応答しか示さない傾向もあります。これにより電圧が急上昇して、センサの回路が破損する可能性があります。

スイッチングレギュレータの効率性とLDOの電圧レールの安定性および堅牢なポイントオブロード(POL)配電を利用するには、2つのアプローチを組み合わせるのが一般的です。ただし、このようなトポロジを使用すると、複雑さ、コスト、サイズが増すばかりでなく、レイアウトやインベントリ管理の問題も生じてきます。

2つのアプローチを組み合わせず、LDOだけ選択することもできますが、設計要件を満たす効率になるようにLDOを動作させることが必要です。「ドロップアウト電圧」(VDROPOUT)および平均入出力電圧差の2つの特性が重要です。

ドロップアウトの重要性

従来のリニアレギュレータでは、入出力電圧ドロップがトランジスタの電圧オーバーヘッド(約2ボルト)に達すると機能が損なわれます。これにより効率が制限されます。

通常のLDOでは、従来のリニアレギュレータの連続制御要素として使用されるNPNトランジスタまたはN型MOSFETをPNPトランジスタまたはP型MOSFETに置き換えます(図1)。これにより、回路が変更され、エミッタ(発生源)に対するフォロワではなく、電流の発生源になります。

通過素子がP型MOSFETになっているLDOの図

図1:あるLDOでは、通過素子が近飽和状態で動作できるP型MOSFETになっています。これにより、従来のリニアレギュレータに比べ、VDROPOUTが下がり、効率が改善されます。(画像提供:Texas Instruments

P型MOSFETは、最小入出力電圧差を大幅に下げる近飽和状態で動作できます。これが「ドロップアウト電圧」 (VDROPOUT)で、デバイスは出力電圧を正しく制御できます。適切なLDOの場合、VDROPOUTは通常200mV未満です。

新世代のLDOの導入により、設計者はVDROPOUTをさらに下げて効率を上げ、スリープモードの電流を制限して、利用可能なバッテリ容量を増やすことができます。前述したように、ワイヤレスセンサはその多くの時間をスリープモードで過ごします。これは電力を節約するためですが、スリープモードで過ごす時間は99%に達する場合があります。そのため、スリープモードの電流パラメータを下げる低いドロップアウトの機能が、バッテリ寿命を長くするために非常に重要です。

ノイズとリップルの抑制

新しいLDOでは過渡電圧応答と入力リップルフィルタリング機能の改善で電源がさらに安定し、電源電圧変動除去比(PSRR)も改善されます。設計者は、出力コンデンサの値を増やし等価直列抵抗(ESR) を減らすことで、LDOの過渡応答をさらに改善し、同時にその設置面積、ボリューム、コストにも配慮できます。

PSRRは、回路で電源入力の外生信号(ノイズとリップル)をどの程度抑制するかを表す尺度です。業界標準の定義はありませんが、一般的には、供給電圧の変化とそれによって生成される等価(差動)出力電圧(デジベル(dB)単位)の比率として定義されます。

PSRRは周波数に依存します。適切なLDOのベンチマーク値は、1キロヘルツ(kHz)で60~110dBです(図2)。

PSRR周波数応答を示すプロットのグラフ

図2:このプロットは、高性能LDOのPSRR周波数応答を示しています。適切なLDOのベンチマーク値は、1kHzで60~110dBです。(画像提供:Analog Devices

ワイヤレスセンサで使用されるようなバッテリ駆動の直流(DC)入力の場合、外生信号が発生する可能性はAC電源に比べ大幅に低くなりますが、それでも発生することもあります。適切なPSRRのLDOは、電圧が確実に安定するため、このような用途に対して見合う投資となります。

ワイヤレス電源設計に関する考慮事項

新世代のLDOはワイヤレスセンサへの給電について有効なソリューションとなり得ますが、デバイスには、設計プロセス時に慎重に検討する必要のある特性もあることを理解することが重要です。たとえば、リニアレギュレータは電源を反転できないため、給電される電気回路に負の電圧が必要な場合、負の入力電圧が必要になります。

バッテリ寿命が非常に重要なワイヤレスセンサ用途における2つ目の重要事項は、LDOは降圧構成でのみ動作するという点です。この制限により、バッテリの入力電圧は、センサの電子機器に必要な最高電圧よりも高くなければなりません。

Dialog SemiconductorのDA14585Nordic SemiconductorのnRF52832などのワイヤレスセンシングに使用される標準のBluetooth LE SoCは、降圧構成の電源から給電する場合、1.5ボルト~1.7ボルトの最小入力電圧を必要とします。

これは最初のバッテリ選択に影響します。1.2ボルトを提供する単一AAニッケルカドニウム(NiCad)電池は選択肢となりません。また、バッテリの充電がある程度残っていても電圧がワイヤレスSocに必要な最小値を下回ることもありうるため、利用可能な合計バッテリ容量にも影響します。バッテリを検討する際はこれらの要因が関係しますが、ワイヤレスセンサ用途での一般的に選択されているのは、Panasonicの3ボルト、225ミリアンペア時(mAh)CR2032リチウムマンガンコイン電池です。この電池は、軽量(2.9グラム)、高放電特性、放電時の安定電圧、長期にわたる信頼性といった特徴があります。

ドロップアウト電圧の制限によるLDO効率の向上

一般的に、LDOではスイッチングレギュレータよりも効率が下がりますが、入力電圧と出力電圧間の差が小さくなるにつれ効率が上がります(効率性 = VOUT/VIN)。これは、電圧差を小さくすると、LDOの内部の回路で消費される電力が少なくなるからです。これにより、熱関連の問題を最小化できるという利点も加わります。十分に小さい電圧差では、LDOは95%~99%の効率で動作することができます。

適切な入力電圧と出力電圧を選択することによって、利用可能なバッテリ容量と引き換えに効率を向上させるのは、優れた設計アプローチです。バッテリに十分な量のエネルギーが残されているときにLDOがドロップアウトした場合、入力電圧と出力電圧の差を縮めて効率を最大化してもほとんど意味がありません。

この場合、LDOはいつドロップアウトするかという疑問が生じます。VDROPOUTで、LDOの通過素子(P型MOSFETのPNPトランジスタ)は、トランジスタのドレインソース間抵抗(RDSON)に対する値と同等の抵抗器として機能します。指定された負荷電流(ILOAD)に対して、 VDROPOUT = ILOAD × RDSONとなります。

現在のLDOで使用されているPNPトランジスタまたはP型MOSFETの場合、RDSONはほぼ1オーム(Ω)です。良い点は、一般的なワイヤレスセンサの場合、動作電流が少ないため、VDROPOUTが非常に低くなります。たとえば、ワイヤレスセンサ用途での通常の平均電流負荷は190マイクロアンペア(µA)です。したがって、VDROPOUT = 190µA x 1Ω = 190マイクロボルト(µV)となります。ワイヤレスデータの送信時に、ワイヤレスSoCのILOADが、たとえば最大7.5ミリアンペア(mA)とすると、VDROPOUTは7.5ミリボルト(mV)に上昇します。大きくはなりますが、まだ低い値です。

ただし、設計者は、VDROPOUTの時点でLDOが電圧を制御できなくなることに注意すべきです。その完全な仕様を満たすために、通常、LDOには追加の「ヘッドルーム電圧」が必要です。このヘッドルームによって通常は250 ~500mVがVDROPOUTにさらに追加されますが、LDOによっては1.5ボルトにもなる場合があります。サプライヤは、データシートにヘッドルーム電圧を示すことをお勧めします。

ワイヤレスセンサが超低電力スリープモードのときに、「動作中」状態を維持するために電流はほぼ不要ですが、LDOはある程度の電流を消費し続けます。適切なLDOの場合、この静止電流は通常数マイクロアンペアです。これはわずかな量であるように見えますが、特に前述したようにワイヤレス センサがほとんど(最大99%)スリープ状態である場合、長期間においては、この消費電流がバッテリ寿命に大きな影響を与える可能性があります。実装に多くのセンサが使われていると、問題は大きくなります。頻繫でコストのかかる交換を避けるためにバッテリ寿命は重要です。

また、ワイヤレスセンサアプリケーションで使用されるLDOが十分な過渡電圧と負荷応答を提供していることも重要です。ワイヤレスセンサのパワーバジェットを管理する際に重要なのは、デバイスでデータの送受信が必要な場合、できる限り迅速に送受信を実行して、送受信電流が比較的高い期間を最小限に抑えるようにすることです。スリープ時にワイヤレスSoCが消費するのはわずか数十ナノアンペアですが、送受信時には電流が2桁急増します。

これに対するLDOの過渡応答は、迅速な負荷電流の変化に対する出力電圧の変動として定義されます(図3)。

出力負荷の急速な変化に対する過渡電圧応答を示すグラフ

図3:出力負荷の急速な変化に対する過渡電圧応答は、ワイヤレスセンサ用途におけるLDO性能の重要なメトリックです。ここには高性能LDOの応答が示されています。(画像提供:Maxim Integrated

過渡応答に大きく影響するのは、LDOの制御フィードバックループのゲイン帯域幅です。負荷の過渡が補償ループの応答よりも高速の場合、リンギングが発生し、その結果EMIが生じる可能性があります。低負荷のワイヤレスセンサ用途の重要な問題は、これが従来のLDOレギュレータでループゲインが低くなる領域であるという点です。新しいLDOでは低電流モード回路が使用され、非常に軽い負荷または無負荷状態のときにループゲインを増やし、その結果、過渡応答が改善されて出力電流が0まで削減されます。

ワイヤレスセンサの問題に対応するLDO

ワイヤレスセンサの電圧を制御するLDOの重要な運用パラメータは次のとおりです:

  • 低RDSON (動作電流範囲におけるVDROPOUTを最小化)
  • 低オーバーヘッド電圧
  • 低静止電流
  • 適切なPSRR
  • 適切な過渡負荷応答
  • 適切な低負荷ループゲイン

その他の重要な要素として、パッケージの寸法、必要なペリフェラルコンポーネントの数、およびコストがあります。

Texas Instrumentsの TPS7A10 LDOは、ワイヤレスセンサ用途に適した選択肢です。コンパクトな1.5ミリメートル(mm)x1.5mmのパッケージで提供されるこのLDOの入力電圧範囲は0.75~3.3ボルト、出力範囲は0.5~3.0ボルトです。指定された負荷、配線、温度の変動の1.5%内の範囲で安定します。出力範囲は、前述したDialog SemiconductorまたはNordic Semiconductorの例の入力電圧要件と一致します(1.5ボルト~3.6ボルト)。

通常のワイヤレスセンサ動作条件において、TIのチップのVDROPOUTはわずか数十ミリボルト(300mAで最大70mV(VOUT > 1.0V))で、LDOの電圧オーバーヘッドはおよそ250mVです。LDOが供給できるのは300mAで、静止電流は数マイクロアンペアです。TIは、LDOを使用してアナログセンサで使用されているプロセッサの低いコア電圧に電力を供給することも推奨しています。LDOのPSRRは60dB(1kHzで)です。TIは、非常に軽い負荷でループゲインを増やす低電流モードの電気回路を組み込むことで過渡応答を拡張しました。

実験目的または設計を始めやすくするために、TIは TPS7A10EVM-004評価モジュールも提供しています。この評価モジュールには単一のLDOがあり、エンジニア はさまざまな動作条件におけるTPS7A10の動作と性能を簡単に評価できます(図4)。

Texas InstrumentsのTPS7A10EVM-004評価モジュールの画像

図4:TIのTPS7A10EVM-004評価モジュールによってエンジニアはTPS7A10 LDOを簡単に評価でき、熱およびレイアウト設計のガイドラインにもなります。(画像提供:Texas Instruments)

Maxim Integratedでも、ワイヤレスセンサ用途に適したLDOとして、 MAX8636ETA+を提供しています。このデバイスは2mm x 2mmのパッケージで提供され、入力電圧2.7~5.5ボルトで動作します。このLDOは、2.6~3ボルトで構成可能な出力と、1.5~2.8ボルトで構成可能な出力の2つの出力を提供します。どちらの出力も最大300mAまで提供できます。VDROPOUTは、標準のワイヤレスSoC負荷で数十ミリボルト(100mAで90mV(最大))になります。通常の静止電流は、両方のLDOをオンにした状態で54μA程度です。MAX8636ETA+のPSRRは60dB(1kHzで)で、 確実な過渡負荷応答があります。

負の電圧レールが必要な場合は、Analog Devicesの LT3094超低ノイズ、超高PSRR LDOが適しています。-1.8~-20ボルトの負電圧入力に対応している点以外は、他の特性はTIとMaxim Integratedのデバイスと似ています。サイズは3mm x 3mmで、出力は最大-19.5ボルトです。出力電流は500mA(最大)まで可能です。

LT3094のVDROPOUTは、100mAの電流で200mVです。その静止電流は3µAで、PSRRは1kHzあたり60dB、過渡応答も確実です。このデバイスは別のLT3094 LDOと並列に動作してノイズを削減できます。

Analog DevicesではLT3094用のデモンストレーションボードとして DC2624Aを提供しています。これは、LDOのノイズを最小限に抑え、PSRRを最大化するための最適な回路レイアウトと部品表(BOM)のガイドとして利用できます。

実際の実装例

TI、Maxim、およびAnalog DevicesのLDOはすべて、前述したDialogやNordic SemiconductorなどのSoCデバイスを採用するワイヤレスセンサの電圧制御に適したオプションです。たとえば、SoCがバッテリ電源を主に消費し、バッテリにPanasonic CR2032が選択されているシンプルな用途について考えてみます。ワイヤレスSoCは、1.5~3.6ボルトの電圧入力で動作します。バッテリは初期状態では公称3ボルトを供給します。

選択されたLDOの出力が2.5ボルトとして選択されると、ワイヤレスSoCの入力電圧仕様が満たされます。バッテリがフル充電されている(3ボルトの電力を供給している)ときのLDOの効率は83%です。20˚Cおよび平均のワイヤレスセンサ動作電流190µAで1,000時間動作した後も、バッテリはおよそ2.7ボルトを供給し、効率は93%近くまで改善しています。

1,000時間の動作中に電圧出力がほぼ直線状に減少していくとすると、LDOの効率は(一定の190µAの負荷で)は88%になります。ドロップアウトの前は、バッテリエネルギーのおよそ74%(88%の平均効率 x 84%の利用可能容量) がセンサへの電力供給に使用されていました(図5)。

通常のワイヤレスセンサ平均電流負荷におけるCR2032バッテリのグラフ

図5:通常のワイヤレスセンサ平均電流負荷190µA、20˚Cで動作するCR2032バッテリは1,000時間2.7ボルト以上を維持できます。(画像提供:Panasonic)

結論

ワイヤレス対応のIoTセンサは今後も多数導入されるため、設計エンジニアは動作時とスリープモード時両方について電力消費を最小限に抑える最適な方法を検討することが重要です。

一般的にスイッチングレギュレータでは効率が上がりますが、ワイヤレスセンシングデバイスのパワープロファイルと使用モードによっては、LDOと比較した効率面での利点が急速に減少します。また、新世代のLDOは効率のギャップを縮小すると同時に、PSRRの改善と過渡負荷応答の高速化も実現します。

LDOの設計のシンプルさ、コスト効率の良さ、コンパクトサイズ、低ノイズと組み合わせて、ワイヤレスIoTセンサのスタンドアロン電源装置として使用することを検討する価値は十分にあります。ただし、LDOの利点を最大化するためには、ワイヤレスセンサの電気機器の電圧および電流要件にできるかぎり近いものを選択することが重要です。

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