LDOの基礎から応用まで全てを解説
本記事では、LDOを使った電源設計ができるようになるために必要な全ての知識を、基礎から応用まで分かりやすく解説していきます。
LDOとは？
LDOとは、Low Dropoutの略で、ドロップアウト電圧(入出力間電位差)が小さいシリーズレギュレータのことです。
高い電圧から低い電圧への降圧制御のみ可能です。
シリーズレギュレータとの違い
LDOは、シリーズレギュレータの中の分類の1つです。
他にも、
- ボルテージレギュレータ
- リニアレギュレータ
- シャントレギュレータ
- 三端子レギュレータ
など、類似する言葉があります。
ボルテージ(電圧)レギュレータの方式は、リニア方式とスイッチング方式に分かれます。
さらに、リニアレギュレータは電圧制御トランジスタが負荷と直列に入るか並列に入るかで、シリーズレギュレータとシャントレギュレータに分かれます。
三端子レギュレータとは、リニアレギュレータの中も三端子だけで構成された小型パッケージのものをいいます。
まとめると、下図のようになります。
スイッチングレギュレータとの違い
LDOとスイッチングレギュレータとの大きな違いは、LDOが電力を熱として放出して電圧を低下させるのに対し、スイッチングレギュレータは電力変換を行うため理想条件では損失はゼロです。
その他、LDOとスイッチングレギュレータとの違いは、以下の通りです。
| 項目 | LDO | スイッチングレギュレータ |
|---|---|---|
| 損失 | × | ○ |
| ノイズ | ○ | × |
| サイズ | ○ | × |
| コスト | ○ | × |
| 設計難易度 | ○ | × |
使い分けとしては、入力と出力の電圧差が大きい場合や出力電流が大きい場合などはLDOよりスイッチングレギュレータの方が向いており、逆に電流が比較的小さく低ノイズが求められるデバイスへの電圧供給にはLDOが向いていると言えます。
仕組みと動作原理
LDOが定電圧制御している仕組みは、オペアンプと同じです。
LDOは大きな電流をドライブできるように出力段に大きなトランジスタを用いていますが、動作原理はオペアンプと同じなのです。
したがって、LDOは下図のような等価回路で表すことができます。
反転入力は出力を分圧した抵抗R1/R2の中点に接続され、非反転出力は基準電圧:Vrefに接続されます。
基準電圧と出力電圧の抵抗分圧値が等しくなるように負帰還がかかるため、出力電圧は次の式のように計算されます。
VOUT = Vref × (R1 + R2) / R2
さらに詳しい内部回路や動作原理について知りたい方は、こちらの記事をご覧ください。
シリーズレギュレータの内部回路と動作原理を解説
データシートの見方
LDO/シリーズレギュレータICを使って、電源を設計する場合、データシートのどこに注目すればいいのかを解説していきます。
出力電圧範囲
出力電圧が何Vから何Vまで出せるのかを確認します。
低電圧側は、内部の基準電圧より低い電圧が出せないため、1.5V以下の電圧を出せる製品は限られてきます。
高電圧側は、耐圧によって制約を受けます。
出力電圧固定品の場合は、必要な電圧がラインナップされているか確認しておきましょう。
内部でトリミングしているだけなので、ラインナップに無くてもメーカーに相談すれば作ってもらえる場合もあります。
最大出力電流
出力可能な最大電流能力です。
注意が必要なのが、出力電流能力は入力電圧に依存することです。
100mA出力と書かれていても、但し書きでVIN=5V時などと書かれている場合があります。
それより低い入力電圧では、100mAを供給することができないのです。
全ての条件でのスペックが書かれているわけではありませんので、実際に使う電圧範囲で必要な電流を供給できるのか、メーカーへの確認が必要な場合があります。
電圧精度
出力電圧固定品の場合は、そのまま出力電圧精度になります。
外部調整品の場合は、反転入力端子の制御電圧の精度になりまます（VFBやVADJなど）
外部調整品の場合は、外付け抵抗のばらつきも加味する必要があります。
出力電圧温度係数
ppm/℃で定義されている場合が多いと思います。
ppmは百万分の一のことですので、例えば±100ppm/℃の場合は100℃温度が上昇すると±1%のばらつきが発生するということになります。
プラスマイナスの形で書かれている場合がほとんどですが、内部基準電圧源は右肩上がり、または右肩下がりどちらかの温度特性を持つ場合が多いため、電圧精度が厳しい場合はメーカーに相談の上スペックを緊縮できる可能性があります。
ラインレギュレーション
入力電圧の変化に対する出力電圧の変動量です。
「入力安定度」などと記載されている場合もあります。
ロードレギュレーション
出力電流の変化に対する出力電圧の変動量です。
「負荷安定度」などと記載されている場合もあります。
入出力間電位差
所望の出力電圧を出すために必要な、最小の入出力間電位差(ヘッドルーム電圧)です。
入出力間を飽和させた時に発生する電圧差でもあるため、「ドロップアウト電圧」とも記載されます。
入出力電位差が0.5Vの製品で、出力電圧を3.3Vに設定するためには入力電圧が3.8V以上必要ということになります。
ドロップアウト電圧が小さいものを特にLDOと呼びます。
消費電流
動作状態の消費電流と、停止状態の消費電流の2つがあるので、間違えないように確認しましょう。
動作時消費電流は、負荷電流がゼロの状態での消費電流、つまりIC内部で消費する電流です。
「静止電流」と記載される場合もあります。
停止状態の消費電流とは、入力電圧は印加されているがイネーブル端子がオフ状態(出力停止状態)での消費電流です。
入力電圧のバイアスによるリーク電流のみで、ほぼゼロに近いものがほとんどです。
「無効電流」と記載される場合もあります。
LDOに搭載される機能
LDOには、電気的特性からだけでは見えてこない、様々な機能が搭載されています。
これらの機能を理解しておくことで、実際の製品の動作の理解が深まります。
下記が、搭載されていることが多い機能の一覧です。
ICを使った電源の設計手順
例として、ロームのBD00IC0WEFJを使った設計計算をしてみたいと思います。
電源の要求仕様は、VIN=4V、VOUT=3.0V、IOUT=1Aとします。
出力電圧
フィードバック端子電圧VFBは0.8Vですので、R1=33kΩ、R2=12kΩとすれば、
VOUT = VFB × (R1 + R2) / R2 = 3.000V
となります。
ばらつき計算
VFBのばらつきは±1%。
温特は電気的特性に記載がないので、特性データのグラフから読み取ります。
BD00IC0WEFJデータシートより抜粋
高温側はフラットのようで変動なし。
低温側も-0.128%の変化率と、かなり小さくなっています。
ロードレギュレーションは～1Aの範囲で±1.5%。
温特データは記載がありませんので、必要に応じてメーカーに確認しましょう。
今回は入力電圧が固定のため、ラインレギュレーションは考慮していません。
外付け抵抗のばらつきは±0.5%品を使うとします。
（厳密には外付け抵抗の温特も考慮する必要があります）
上記のばらつきを全て含めた出力電圧は、
2.900V ～ 3.102V
となります。
入力電圧範囲
入出力電位差は、Iout=1A時で0.6Vが最大値です。
特性データのグラフから読み取った温特は、高温側で+5.1%、低温側で-4.4%なので、高温側がワーストです。
したがって、正常に出力電圧を維持するためには、
3.102V + 0.6V × 1.051 = 3.733V
以上の入力電圧が必要となります。
これ以下になると出力電圧が低下し始めます。
入出力コンデンサ
入出力コンデンサは、1uF以上のセラミックコンデンサが推奨されています。
これは実効値のため、セラミックコンデンサの場合はDCバイアス特性を考慮した上で上記容量を満たす必要があります。
推奨値は位相補償を考慮した値となっていますが、メーカーによって位相余裕度の考え方が異なってきます。
小型化、高速化を優先して位相余裕度は20度程度あれば良いと考えるメーカーもあれば、45度以上を基準としているメーカーもあります。
車載製品など使用環境が厳しい製品の場合は、周辺部品のばらつきも大きくなるため、余裕度は45度以上は確保しておきたいところです。
位相補償と発振対策
電源設計において大きな問題の一つが発振対策です。
適切に対策を行うためにはフィードバック制御の周波数特性に関する知識が必要なのですが、取っつきにくいため、カット＆トライで対策しているアナログ設計者が多いと思います。
よくある発振の原因としては、
- 同じ容量で小型のコンデンサに変更
- 電解コンデンサからセラミックコンデンサに変更
- ノイズ対策部品を追加
などです。
①に関しては、セラミックコンデンサは小型化することでDCバイアス特性が大きくなり、実効容量が小さくなるために起こります。
②は、電解コンのESRに頼って位相余裕度を確保しているICを使っている場合に起こります。
ESRが2、3桁小さくなりますので、位相を戻すゼロが高周波側にシフトしてしまい、位相余裕度がなくなってしまうのです。
③は、負荷デバイス側の入力容量も加味して位相余裕度を稼いでいた場合に、ノイズ対策部品としてインダクタンスを挿入してしまった場合。
負荷デバイス側の容量が見えなくなってしまうため、容量不足で発振します。
このような問題は、位相補償に対するしっかりした知識があれば回避できる問題です。
伝達関数、ポール・ゼロとは何かを理解し、ボーデ線図を読み、書くための知識を習得しましょう。
損失と発熱計算
LDO(シリーズレギュレータ)はドロッパとして働くため、DCDCコンバータに比べると大きな損失が発生してしまいます。
熱対策を行うためには、電力損失計算と発熱の見積もり方を理解する必要があります。
損失の計算方法
先述のBD00IC0WEFJを使った設計計算の例を使って、損失を計算してみたいと思います。
条件は、VIN=4V、VOUT=3V、IOUT=1Aでした。
損失の計算式は、
損失(W) = (VIN – VOUT) / IOUT
で表されるので、上記条件では(4V-3V)/1A=1Wとなります。
このときのICの温度上昇は、
損失(W) × 熱抵抗(℃/W)
この熱抵抗ですが、ICのパッケージや実装する基板の条件によって変わります。
放熱PAD付きのICであれば熱抵抗は低くなりますし、層数が多く、銅箔部分に効率良く熱を逃がすことができる基板パターンでも熱抵抗が低くなります。
ですが、熱抵抗を実測することはかなり困難ですので、データシートに記載されている熱抵抗の参考例からある程度予測を立てます。
BD00IC0WEFJのHTSOPパッケージの場合、4層基板(銅箔:70mm×70mm)の条件でθja=33.3℃/Wと記載があります。
この値を使うと、
ΔT = 1W × 33.3℃/W = 33.3℃
の温度上昇(発熱)が発生することが分かります。
熱対策の方法
熱対策の方法としては、放熱性能を上げるか、損失を下げるしかありません。
1.放熱性能を上げる
すぐに思いつく対策としては、筐体やヒートシンクへ熱を逃がすことが考えられます。
放熱シートや放熱グリスを使うことで、効率的に放熱することができます。
デメリットは、やはりコストでしょう。
コストを抑えて放熱するためには、基板側での対策が必要になります。
基板内層のGND層にいかに効率良く放熱するかがポイントになります。
IC直下にGNDとつながるサーマルビアをできるだけ多く配置することで、放熱性が上がり、熱抵抗が下がります。
2.損失を下げる
LDOの場合、損失を下げるには入出力間電圧を小さくするか、出力電流を低減するしかありません。
電圧差を小さくするためには、出力電圧は固定ですので入力電圧を下げることになります。
どこまで入力電圧を下げることができるかは、ICのドロップアウト電圧で決まります。
先述の設計計算の例では、動作限界は3.733Vでした。
つまり、4V → 3.773Vまで入力電圧を下げれば、227mWの損失改善が可能となります。
しかし、実際の設計では入力電源を別のデバイスへ供給しており、入力電圧を下げることができない場合も少なくありません。
その場合は、LDOの入力側に直列に抵抗を入れることでLDOに入力される電圧を下げ、損失を低減することができます。
減った分の損失は抵抗側にかかることになるので、トータルの損失は変わらず、抵抗とLDOで損失を分散させるという考え方です。
電流の低減ですが、これは必要な電流が決まっているためLDOを複数使って、1つ当たりの電流を減らすという考え方です。
下図のように、負荷デバイスが複数ある場合に有効な手段です。
ただし、出力を直結して並列接続するのはNGです。
詳しくは後述しますが、1つのLDOに電流が集中したり、発振したりする問題が起こります。
ノイズ対策
DCDCコンバータに比べればノイズの発生量は少ないのですが、GNDの取り方によってはノイズが増幅されてしまいます。
入出力コンデンサとICのGNDは1点で、しかも最短距離で接続するようにしましょう。
電流ループの面積が大きくなると輻射ノイズが大きくなるためです。
よくあるのが、基板上のスリットなどによってICのGNDとコンデンサのGND側が表層で分離されてしまっていて、内層で遠回りして戻る電流パスが形成されてしまっている場合です。
必ず表層で最短接続できていることを確認しましょう。
低ノイズICを採用する
低ノイズを特徴としているICを採用するのも、ノイズ対策になります。
一つは高いリップル除去性能を持つIC。
PSRR(Power Supply Rejection Ratio)として電気的特性に数値が記載されているものもあります。
もう一つはIC内部で発生するノイズを抑えることができるIC。
新日本無線のNJM2871のように、IC外部にバイパスコンデンサを設置して内部基準電圧源のノイズを除去することで低ノイズ化できるICもあります。
評価項目、評価方法
LDOを使った電源の評価で見るべき項目は次のようなものです。
DC特性
- 出力電圧精度
- ラインレギュレーション
- ロードレギュレーション
入力電源、または負荷電流をスイープして出力電圧を確認します。
過渡特性
- 入力電源急変動
- 負荷急変動
- 起動特性
- 立ち下がり特性
入力電源、または負荷電流をステップ変動させた場合の出力変動を確認します。
起動特性は、電源投入時・CE端子Hi時からの出力電圧の立ち上がりを確認します。
立ち上がり開始までの遅延時間や、立ち上がりのスルーレートは、電気的特性に記載されていない場合がほとんどですので、実機で確認する必要があります。
立ち下がり特性は、CEオフ時の出力電圧の立ち下がりを確認します。
オートディスチャージ機能があれば立ち下がりは速いのですが、無い場合は成り行きで立ち下がるので負荷デバイスの要求シーケンスを守れない場合があるので注意が必要です。
位相余裕度
フィードバック端子が外に出ているICの場合はFRAを使って周波数特性(ボーデ線図)を書かせることができるのですが、出力電圧が内部固定されているLDOの場合には測定できません。
代替え手段として、負荷電流のステップ変動を与え出力にアンダーシュートを発生させます。
電圧低下状態から正常電圧に復帰する際に出力にリンギングが発生する場合は位相余裕が不足していると判断できます。
リンギングが発生しない、または1周期で収まる程度であれば位相余裕度は十分あると判断できます。
不具合、故障モードと対策
LDOの不具合、故障モードでよくあるのが次のようなものです。
- 負電圧による誤動作、破壊
- 入出力電圧逆転による回り込み
- 軽負荷時の電圧上昇
- 軽負荷時の発振
- 突入電流による前段電源の低下
- フの字特性による起動不良
これらの故障についての詳細や不具合を起こさないための注意点についてはこちらの記事にまとめました。
よくあるLDOの故障モードと不具合対策
並列接続の注意点
レギュレータの電流能力不足を補うためや、熱分散の目的でLDOを複数並列接続して使用しようと考えたことはありませんでしょうか？
LDOの並列接続は次のような問題を起こすため、基本的には行わないようにしましょう。
問題点① 1つのレギュレータに電流が集中する
並列接続して均等に電流が分散されるには、出力電圧値がLDO間で差が無いことが条件となります。
しかし、内部、外部のバラつきにより出力電圧が完全に一致することはありません。
LDOの出力電圧ばらつきは±3%程度はありますので、高い電圧にバラついた方のLDOに電流が集中してしまいます。
仮に外付け抵抗で電圧をトリミングしたとしても、DCゲインが高い方のLDOに電流が集中するため、やはりバランスを取ることはできません。
問題点② 発振する
DCゲインが低く、ロードレギュレーションが悪いレギュレータであれば何となく分散できる可能性もあります。
しかし、下記のような動作となり出力が発振したような状態となり電圧が安定しません。
バラつきによりLDO1の電圧が高い場合
LDO1に電流が集中
⇒LDO1の電圧がLDO2の電圧まで低下
⇒LDO2も電流を供給
⇒LDO1の電流が低下し、LDO1の電圧が上昇
⇒LDO1に電流が集中
結果、LDO1とLDO2間の電圧を行き来し、電圧が安定しません。
対策方法
過去には下図のように出力に抵抗を入れることで出力電圧のバラつきを吸収し、バランスを取るという方法を取る場合もありました。
しかし、下記のようなデメリットがあります。
- バランス抵抗に許容損失の高い抵抗が必要
- ロードレギュレーションが大きくなる
- 出力電圧精度が悪化する
など。
現在ではLDOの価格もかなり安価となってきているため、並列接続を検討するより高放熱パッケージのICにグレードアップする方が、コスト的にも実装面積的にも有利になる場合がほとんどだと思います。