リニアレギュレータの利点と欠点の理解

著者 Bill Schweber氏

DigiKeyの北米担当編集者の提供

2017-09-20

設計者はDC/DCコンバータのスイッチング効率をよく認識していますが、リニアレギュレータは依然として多くのアプリケーションに最適です。理由を理解することで、設計者が適切な選択を行い、正しく実装できるようになります。

この記事では、リニアレギュレータとスイッチングレギュレータを比較し、シンプルさ、低コスト、安定性などの要素にも配慮し、効率性をどのように考慮する必要があるかを示します。

スイッチングレギュレータ：効率的だが複雑

スイッチングレギュレータは高効率であり、ステップアップ（昇圧）、ステップダウン（降圧）、および電圧の反転が容易です。現代のモジュラチップは、コンパクトで信頼性があり、複数のサプライヤから入手できます。多くの利点にもかかわらず、スイッチングレギュレータにはいくつかの弱点があります（表1）。

	リニア	スイッチング
機能	ステップダウン（降圧）するだけなので、入力電圧は出力電圧より大きいことが必要	ステップアップ（昇圧）、ステップダウン（降圧）、反転
効率	低〜中だが、実際のバッテリ寿命は、長期間の負荷電流とバッテリ電圧に依存。入力電圧と出力電圧の差が小さい場合は効率が高い	スイッチモードの静止電流（IQ）が通常より高い場合の非常に低い負荷電流（μA）を除いて、高効率
廃熱	平均負荷および/または入力〜出力間の電圧差が高い場合は、高い	コンポーネントは通常、10W以下の電力レベルでは低温で動作するので、低い
複雑さ	通常はレギュレータと低値のバイパスコンデンサのみが必要なので、低い	通常ICに加えてインダクタ、ダイオード、フィルタコンデンサが必要なので、中〜高。高電力回路の場合、外部FETが必要
サイズ	携帯型設計では小型〜中型だが、ヒートシンクが必要な場合はさらに大きくなることがある	低電力ではリニアよりも大きいが、リニアがヒートシンクを必要とする電力レベルでは、より小型
総合コスト	低い	中〜高、主に外付け部品による
リップル/ノイズ	低い。リップルなし、低ノイズ、優れたノイズ除去	中〜高、スイッチングレートのリップルに起因

表1：スイッチングレギュレータとリニアレギュレータの特性の比較（表提供：Maxim Integrated）

第1に、これらは複雑なチップであり、結果的に、新しい製品が適切に動作するようにするためには、さらなる設計努力が必要となります。第2に、現代のスイッチングレギュレータの集積レベルは高価であり、チップサイズも増大します。最後に、高周波スイッチングはすべてノイズが多い傾向があります。

高周波動作によって生成される入出力フィルタの電圧リップルと電流リップルは、スイッチングレギュレータを使用する設計では大きな問題になります。これらの問題に取り組むことができますが、それには時間とスキルが必要です。

リニアレギュレータは、スイッチングタイプの主要な弱点に対処します。これらはシンプルで低コストで、必要な外付け部品が少なくてすみ、過剰なノイズを発生させるスイッチングもありません。適切なアプリケーションでは、表1に示すように、これらの控えめなデバイスを選択することができます。

降圧動作のみ

リニアレギュレータは、動作しないか、多くの設計において適切な選択であることを意味する妥協をもたらすので、最後のパラグラフのキーフレーズは「適切なアプリケーション」です。

例えば、リニアレギュレータは入力電圧をステップダウン（降圧）するだけです。この制約は、LDOが必要とする入力電圧を十分に上回ることを確実にするために、バッテリを追加することによって、基本のDC電源電圧を増加させる必要がある場合があります。これは、電池の完全放電サイクルのための信頼できる5ボルト出力を保証するために、公称電圧がそれぞれ1〜1.5ボルトの5つの電池を使用することを意味することがあります。より多くのセルを追加するコストは間もなく、より少ないバッテリで動作するより高価なスイッチングレギュレータを上回る可能性があります。また、余分なバッテリは貴重なスペースを占有します。

さらに、リニアレギュレータが電圧を上昇させることができないことは、製品の1つの部品が他の部品よりも高い電圧を必要とする場合には問題となります。同様に、アナログ回路によっては負電圧が必要となるので、リニアレギュレータは正電源を反転できないために使用できません。

リニアレギュレータはスイッチングデバイスほど効率的ではないので、バッテリが長く持続することはありません。さらに悪いことに、まだバッテリにいくらかの電荷があるが、それらの組み合わさった出力がシリコンによって要求される最小電圧よりも低い場合、残りの電荷を引き出す方法がありません。

対照的に、スイッチングデバイスは、バッテリ電力の最後のものを排出するために、昇圧モードに反転することができます。

昇降圧レギュレータと呼ばれるこれらは、バッテリからのソースDCが最初は実際に必要とされるレール電圧よりも高い場合に非常に便利ですが、バッテリの放電に伴ってそれを下回ります。昇降圧デバイスは、モード間でシームレスに移行することができ、バッテリ出力がそのレール以下に低下しても出力レールは所望の値になります。

非常に低電力のアプリケーションでは、バッテリ寿命の短縮は、スイッチングレギュレータの費用を節約するために許容可能です。例えば、高出力需要製品のバッテリ寿命がリニアレギュレータを使用するために12時間から8時間にずれ込むと、消費者は満足することはまずありませんが、より安価な購入価格と引き換えに、低消費電力製品のバッテリ寿命を6ヶ月から5ヶ月に短縮することは、十分に受け入れられることになります。

リニアレギュレータの高効率領域

リニアレギュレータはスイッチングコンバータまたはレギュレータの全体的な効率を持つことはできませんが、入力電圧と出力電圧の差が小さくなるほどレギュレータが効率的になるという固有の利点があります。入力電圧が出力値のわずか上にあるとき、リニアレギュレータは95％〜99％の効率に近づくことができます。

この特性は、リニアレギュレータの特定のアプリケーションにおける全体的な効率が、単純明快で直接的な比較よりも優れている可能性があることを意味します。製品の動作中のバッテリの放電プロファイル全体を考慮し、正確な値を得るためにはその時間にわたる平均効率を確立することが重要です（図1）。

図1：単3形アルカリ乾電池3本（100mWの定電力負荷時）を使用したシステムでのリニアレギュレータ効率対バッテリ電圧。レギュレータの効率がドロップアウト電圧に向かってどのように増加するかに注目してください。（画像提供：Maxim Integrated）

完全に充電されたバッテリの効率は約73％ですが、放電サイクルの平均効率は85％です。これは、スイッチングレギュレータの等価回路図と比較する必要がある数であり、バッテリ電圧が低下するにつれてその効率は向上しません。

ここでも、図1を参照すると、バッテリがまだいくらか充電されている20時間後に、入力電圧と出力電圧の差が小さすぎてデバイスが調整できず、動作が停止することがわかります。合計で、実際に製品に電力を供給するために使用されたバッテリエネルギーの累積量は次のとおりです。

平均安定化効率 × 故障前に使用されたバッテリエネルギーのパーセンテージ =

85% × 80% = 68%

ドロップアウト電圧が低いICを選択すると、バッテリの充電量が多く消費され、したがって効率が向上します。

「ドロップアウト」は、安定化が終了する直前の入力電圧と出力電圧の差として定義されます。図1に示す例では、リニアレギュレータを改善されたドロップアウト電圧（3.4〜3.0V）を備えたデバイスに交換すると、バッテリから2.5時間を余分に消費することができ、バッテリのエネルギー使用量が次のように改善されます：

85% × 90% = 76.5%

いわゆる「低ドロップアウト」（LDO）デバイスの中には、入力/出力電圧差がかなり大きいものがあるため、メーカーのデータシートを非常に慎重にチェックする必要があります。それは、バッテリがまだ多くの充電を保持している間、ライトが消えることを意味する可能性があります。ドロップアウト電圧は、負荷電流によって変化することに注意してください。

LDOの選択と実装

LDOを選択してリニアレギュレータの利点を特定のアプリケーションに利用する設計技術者は、多くの利用可能な選択肢によって容易に圧倒されることがあります。明白な単純さにもかかわらず、標準的な仕様表に加えて、典型的なLDOのデータシートには、多くの場合、20、30およびそれ以上の性能グラフがあります。これらのグラフは、静的な動作と動的な動作の両方、ならびに様々な動作シナリオおよび条件にわたる能力を示します。

ポータブルアプリケーション向けのLDOデバイスの中には、広範囲の入出力電圧に対応する数十のデバイスがあります。出力電圧が固定されているものもあれば、ユーザーが調整可能な出力のものもあれば、負の出力レールを供給できるものもあります。一部のLDOは比較的汎用性があり、代替ソースがありますが、他のものは1つ以上のパラメータで最適化され、特定のアプリケーションのニッチを対象としています。いくつかの例は、利用可能なさまざまなLDOを示しています。

車載用：Maxim IntegratedのMAX16910は、自動車用途向けの200mAの超低静止電流LDOです。基本的な性能に加えて、自動車環境の非常に厳しい要求にも適合しています。その入力は+45Vのトランジェントに対して耐性があり、自動車の負荷ダンプ条件下で耐え、動作することができ、-40℃〜+125℃の自動車用温度範囲で機能することができます（図2）。これは+3.5V〜+30Vの入力で動作しますが、無負荷時の静止電流はわずか20μAを消費し、ユーザー制御のシャットダウンモードでは1.6μAです。

図2：Maxim IntegratedのMAX16910は、-40℃〜+125℃の完全に仕様規定された動作とともに、保証された機能に対する厳しい自動車要件を満たすため、注目に値する製品です。（画像提供：Maxim Integrated）

負の電圧：負の電圧用に設計するときは、グランド基準の問題やその他のトポロジの問題が存在するため、単に「逆さ」に接続されたコンバータを使用するだけではありません。代わりに、負の特定のLDOが必要です。Analog DevicesのADP7183シリーズは、負の入出力と超低ノイズの両方を特長とします（図3）。

これらのICは-2.0V〜-5.5Vの入力で動作し、-300mAの最大出力電流を実現します。これらは、-0.5V〜-4.5Vまでの15の固定出力電圧オプション、または-0.5V〜-V_IN + 0.5Vまでの調整可能な出力を選択できます。さらに、出力ノイズは100Hzから100kHzまでわずか4μV_RMSで、ノイズスペクトル密度は10kHzから1MHzまでで20nV/√Hzです。最後に、標準的な電源除去比（PSRR）は10kHzで75dB、100kHzで62dB、そして1MHzで40dBです。

図3：Analog DevicesのADP7183シリーズは、負のソース/ネガティブ出力アプリケーション向けで、実際にはかなり頻繁に発生します。これらのデバイスは、固定出力（ここでは上側の回路図で-3.3V）またはユーザーが調整可能な出力（ここでは下側の回路図で-2.5Vに設定）に構成することができます。（画像提供：Analog Devices）

固定/可変デュアル出力：かなり一般的な状況である、1つ以上のLDOが必要なアプリケーションの場合、Texas Instrumentsは2.5Vの固定出力と1つの調整可能な出力を備えたLFC789D25デュアルリニアコントローラを提供しています。このコントローラの出力は外付けのNチャネルMOSFETを駆動するように設計されているため、電流は3A（標準）まで比較的高くなる可能性があります。このICは、DDR1メモリ電圧（V_DDQ）およびV_REFバッファ（図4）などのアプリケーションを対象としています。その内部基準は、2％の許容誤差で温度補償された性能を提供し、状況に適しています。

図4：Texas InstrumentsのLFC789D25デュアルリニアコントローラは、1つの固定出力と1つの調整可能出力を備えており、DDR1や類似のメモリアレイなどの重要なアプリケーションニッチのニーズを満たします。（画像提供：Texas Instruments）

ほぼゼロの静止電流：利用可能なエネルギーの浪費が実行時間の目標を達成する上で非常に重要なバッテリ駆動アプリケーションの場合、RichtekのRT9069ファミリはわずか2μAの超低静止電流（I_q）を特長としています。これらのイネーブルピンは、これらのICを静止電流がゼロの深いスリープ状態にすることができます。

これらのLDOは3.5V〜36Vの広い入力範囲で動作し、最大200mAを実現します。これらは2.5、3.3、5、9、および12Vの固定出力電圧で入手できます。大部分のLDOに必要な標準入力フィルタコンデンサに加えて、単一のセラミック出力コンデンサを使用して、入力電圧範囲と出力電流範囲全体で安定します（図5）。

図5：RichtekのRT9069シリーズは、厳密に制限されたバッテリ駆動のアプリケーションで動作時間を最大化するように設計されており、消費電流が僅か2μAであり、ディスエーブル状態になるとゼロの静止電流となります。（画像提供：Richtek Technology Corp.）

LDOを最大限に活用

LDOの使用は比較的簡単ですが、その利点を実現し、潜在的な損傷を回避するために、いくつかの基本的なガイドラインを守らなければなりません。これには、熱的な懸念やパッケージング、レイアウトの考慮事項、ノイズピックアップなどの実用的な設計の問題が含まれます。

熱的な問題については、安全な動作領域とディレーティングのためにデータシートの表とグラフを調べることが不可欠です（図6）。

図6：LDOの場合、安全動作領域は最大許容出力電流と入出力間電圧差の大きさに反比例の関係にあります。また、パッケージタイプは、標準SO-8と独自の8ピンμMAXパッケージの違いによって示されるように大きな役割を果たします。（画像提供：Maxim Integrated）

ディレーティングは、LDOパッケージを含む多くの変数の関数です。5ピンSOT-23パッケージは、通常、500mWを超える放熱定格を備えていますが、一部の露出パッドパッケージはその値のほぼ4倍の定格です。LDOが十分な風量および/または低インピーダンスの熱経路を備えた最適な場所にある場合、自己発熱によるディレーティング性能の定義はベンダーのデータを使用して簡単になります。