DC電源の機能は、入力電圧の変化や負荷の電流需要に関係なく、一定の出力電圧を維持し、負荷に電力を供給することです。最も一般的な要件は、高い入力電圧を低い出力電圧に変換することであり、この目的を達成するための基本的な方法が2つあります。この記事では、これらの方法をレビューし、それぞれの長所と短所を比較します。
リニア電圧レギュレータはどのように動作するのでしょうか?
リニア レギュレータ は、安定した電圧を生成する最も簡単な方法です。入力は常に、可変抵抗器として機能するパス要素を介して出力に接続されます。エラー アンプは、分割された出力電圧を基準電圧と比較し、その差を使用してパス要素を制御し、必要に応じて抵抗を増減します。VOUT の希望値によって、R1 とR2の値が決まります。
パス要素はトランジスタまたは MOSFETであり、線形領域で動作し、ソースから負荷への電流の流れを制御します。リニア レギュレータの最もシンプルなバージョンには、入力、出力、グランドの3つのピンしかありませんが、以下で説明するように、オプション機能によって追加のピンが追加されることもあります。
リニア レギュレータが動作するには、VINとVOUT の間に最小ドロップアウト電圧VDROPOUT が必要です。Vの場合で - ヴ外 Vを下回るドロップアウト、部品は安定した出力電圧を維持できなくなります。最初のリニアレギュレータでは、1ボルト以上の最小ドロップアウト電圧が必要でしたが、今日ではほとんどのデバイスはVで動作できる低ドロップアウト（LDO）設計になっています。ドロップアウト 数百ミリボルトです。五ドロップアウト 負荷電流はIに等しいため、負荷電流に依存する。負荷 ＸＲの上、ここでRの上 パスデバイスの抵抗です。
リニアレギュレータの効率
リニアレギュレータには多くの利点があります。すべてのコンポーネントが線形領域で動作するため、ノイズを生成する高速過渡現象がなく、LDOは負荷変動に対して優れた応答性を発揮します。低電流アプリケーションの場合、シンプルな設計により非常に小さなパッケージが実現します。
リニアレギュレータの主な欠点は効率が低いことです。入力電流Iで、入力電力Pで = ヴで x私で; 出力電力P外 = ヴ外 x私負荷。
レギュレータの動作に必要な電流を無視すると、負荷 = 私で、効率性 ηは次のように与えられる。
η = ポ外/Pで = ヴ外/Vで。
Pの違いで およびP外 電力損失はパストランジスタの熱として消費される。損失は入力と出力の電圧差、つまりPの関数である。損失 = I x (Vで - ヴ外）。
Vの場合で >> V外リニアレギュレータは、出力電流が低い場合でもかなりの熱を発生する可能性があります。熱を排出すると設計上の問題が発生する可能性があり、プリント基板の面積を大きくしたり、ヒートシンクを追加したりする必要が生じます。
LDO設計の基礎
メーカーは、基本的な3端子LDO設計にいくつかのバリエーションを提供しています。固定出力デバイスには内部に抵抗分割器が含まれていますが、可変出力レギュレータを使用すると設計者が値を選択できます。多くのデバイスは、出力 コンデンサなしで動作したり、イネーブル ピンやソフト スタート動作などの機能を備えていたりします。また、ノイズに非常に敏感なアプリケーション向けに、主な内部ノイズ源である電圧リファレンスの出力をフィルタリングするために外部コンデンサを追加するオプションを提供するデバイスもあります。
スイッチングレギュレータとは何ですか?
図1: シンプルな降圧レギュレータには、Q1オンとQ1オフの2つの動作モードがあります。(画像出典: アナログ・デバイセズ)
スイッチング レギュレータは、バースト的に負荷に電力を供給する点でリニア レギュレータとは異なります。リニア パス トランジスタの連続的に変化する動作とは対照的に、スイッチング レギュレータのパワー デバイスは、設計に応じて数百キロヘルツからメガヘルツまでの範囲で高速にオン/オフを切り替えます。
図2は、入力電圧VIN と出力電圧VO による降圧型スイッチング コンバータの動作を示しています。簡単にするために、すべてのコンポーネントが理想的であると仮定します。スイッチングトランジスタQ1がオンになると、図X(a)に示すように、スイッチングノード電圧VSW = VIN となり、インダクタLの電流は(VIN - VO)だけ充電されます。Q1がオフになると、図X(b)に示すように、インダクタ電流がダイオードD1を流れます。 スイッチングノード電圧VSW = 0Vとなり、インダクタ電流が負荷に流れます。詳細については、この アプリケーション ノートをご覧ください。
スイッチング電圧レギュレータの設計
スイッチング トポロジにはいくつかの利点があります。完全オンと完全オフを切り替えることで、パワーデバイスは最小限の電力消費で2つの状態で動作するため、スイッチング レギュレータの全体的な効率は90% をはるかに超えます。その結果、同等の線形ソリューションよりも小型の設計となり、放熱も少なくなります。
一方、スイッチング レギュレータの設計は、リニア デバイスの設計よりもはるかに複雑です。 コントローラは出力電圧を測定し、VIN と負荷の両方の変化に応じてVO の目的の値を維持するためにデューティ サイクルDを継続的に調整する必要があります。
損失の計算も複雑です。図2の降圧コンバータには、DC伝導損失とACスイッチング損失の両方があります。DC伝導損失は、ダイオード、トランジスタ、インダクタが電流を伝導しているときに、これらの間で電圧降下が発生することによって発生します。これらのデバイスは一部の時間のみ導通するため、導通損失はオン時間とスイッチング周期の比率として定義されるデューティ サイクルDの関数になります。ACスイッチング損失には、MOSFETスイッチング損失、インダクタ コア損失、スイッチング トランジスタ ゲート ドライブによる損失、およびMOSFETのボディ ダイオードによる損失が含まれます。
スイッチングレギュレータのアプリケーション
設計者は損失を減らすために基本設計に機能強化を加えることが多いです。たとえば、同期降圧コンバーターでは、ダイオードを低損失MOSFETに置き換えますが、別のドライバーの形で複雑さが増します。
高速電力スイッチングにより、スイッチング設計はLDOよりもはるかにノイズが多くなるため、設計者は適切なフィルタリングを追加し、敏感なトレースをスイッチング回路から慎重に遠ざける必要があります。
メーカーは、設計作業を簡素化するために、設計者に幅広いスイッチング オプションを提供しています。これらには、すべてのコンポーネントを1つのパッケージに統合したオールインワン デバイス、統合型電源スイッチを備えたスイッチング コンバータ、外部デバイスで使用するためのスイッチング コントローラが含まれます。
シンプルな降圧コンバータに加えて、さまざまな機能セットを備えたさまざまなアプリケーション向けのスイッチング トポロジが多数あります。すべての設計が降圧型というわけではありません。 ブースト コンバータは入力電圧をより高い出力電圧に昇圧できます。また、バックブースト コンバータは、その名前が示すように、入力電圧より高いDC電圧と低いDC電圧の両方の出力を生成できます。
リニア電圧レギュレータとスイッチング電圧レギュレータ: どちらのアプローチが最適ですか?
リニア レギュレータは概念的にシンプルで、低コスト、低ノイズ、優れた動的応答と負荷調整を備えています。ただし、効率はVIN とVOUT の比率によって決まります。両者が近い場合、効率は90% を超えることができます。そうでない場合、効率は低下し、デバイスは放散しなければならない大量の熱を生成します。
スイッチング レギュレータは、入力電圧と出力負荷の全範囲にわたって優れた効率を発揮します。しかし、これははるかに複雑な設計で、コンポーネントの数も多く、安定性を維持し、損失を最小限に抑えるためには細部にまで注意を払う必要があります。
スイッチング トポロジは、効率が高いため、高電力アプリケーションに圧倒的に好まれます。また、アプリケーションで単純なステップダウン変換以上のものが必要な場合、これが唯一のオプションとなります。ノイズが多いため、次のような敏感なアナログ部品の電源には適していません。 センサー または高解像度のデータ収集システム。
多くのアプリケーションでは、主な電力変換にスイッチング設計を使用し、必要に応じて低ノイズ電力を供給するためにリニア レギュレータを追加するという両方のアプローチが活用されています。
高効率スイッチングレギュレータ：ボード交換の代替手段
スイッチング レギュレータを使用すると消費電力が削減され、高価なヒートシンクが不要になり、温度が下がることで信頼性が向上しますが、設計コストとPCBレイアウト変更に見合う価値がないため、従来の設計では多くのリニア レギュレータがボード上に残っています。
新しいスイッチング レギュレータにより、ボードを変更することなく、非効率的なリニア レギュレータをスイッチング デバイスに置き換えることが可能になりました。推奨 パワーズ R-78E-1.0たとえば、は5 V出力の1 Aスイッチング デバイスであり、1972年に初めて登場した設計である由緒ある7805の代替品としてそのまま使用できます。 入手可能 矢印RECOMは、モデルに応じて3.3、5、9、12、15 Vの出力電圧と500 mAまたは1 Aの出力電流を備えたR-78のいくつかのバージョンを提供しています。
デモビデオを見る ここ。
結論
レギュレータの主な機能は、入力電圧や出力負荷の変動にもかかわらず安定したDC出力電圧を生成することです。リニア レギュレータとスイッチング レギュレータは、この目標を達成するための根本的に異なる2つの方法です。この記事では、それぞれの基本、長所と短所を確認し、いくつかの重要な分野でのパフォーマンスを比較しました。