皆さんこんにちは、リコー電子デバイスの講師Sです。第2回の講座では一般的なリニアレギュレータの概要を説明し、出力電圧の安定性を示す特性として入力安定度、負荷安定度、そして出力電圧が一定の電圧を維持するために必要なドロップアウト電圧を紹介しました。これらは、時間に依存しない特性を持っています。
第3回は時間に依存する特性としてリップル除去率、入力過渡応答、負荷過渡応答について説明し、これらの特性と消費電流の関係、また電力消費(内部損失)に伴う発熱によって上昇したチップ温度が上限を超えないためのパッケージの許容損失と保護機能について少しふれ、最後に入力コンデンサと出力コンデンサの役割について説明していきたいと思います。


 

リニアレギュレータ(LDO)のリップル除去率

家庭のコンセントの50 Hz / 60 Hzの交流電源からACアダプターによってDC電源に変換すると、そのDC電源にはハムノイズと呼ばれる50 Hz / 60 Hzの周波数の小さな電圧のゆれが見られます。他にも電源ラインにはそれにつながるデバイスの動作によって、さまざまな周波数成分を持った小さな電圧のゆれが発生します。電源ICで問題になるのは、入力電源ラインに重畳しているこのような小さな電圧のゆれです。電源ラインがさざなみのように繰り返し小さく揺れているので、この揺れを指して、それを意味するリップル(ripple)(『さざなみ』、『波紋』)、あるいはリップルノイズと呼びます。
リニアレギュレータにはこのような入力電圧に重なっている(重畳している)リップルノイズの出力側への伝搬を抑えるという大きな特徴があります。この特性をあらわしたものがリップル除去率(RR: Ripple Reduction)です。電源電圧変動除去比(PSRR:Power Supply Rejection Ratio)、電源リップル除去比(Power Supply Ripple Rejection )という場合もあります。
リニアレギュレータのこの特徴をイメージしたのが図1であり、入力電圧に重畳しているリップルノイズが出力側ではほとんど無くなっていることを示しています。

 
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図1.リニアレギュレータによるリップル除去のイメージ

 

 
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ノイズは色々な周波数成分が重なりあっていますのでリップル除去率を考える場合にはこのようなノイズを周波数ごとに分離して、それぞれの周波数ごとのサイン波に対するリップル除去率として評価します。これがリップル除去率の周波数特性です。

リップル除去率はその値の範囲が2~5桁と非常に広いので扱いやすくするために対数を使って、以下の計算式で定義しています。単位は dB(デシベル)です。
 

入力リップル電圧の大きさ
リップル除去率 = 20 × Log —————————————— [dB]
出力リップル電圧の大きさ

 
電気的特性表ではリップル周波数が1 kHzでのリップル除去率を示すことが一般的です。通常のリニアレギュレータのリップル除去率は40 dB ~ 60 dB程度、高リップル除去率タイプでは60 dB ~ 80 dB程度です。
例えば1 kHzでのリップル除去率が60 dBというのは入力電圧に重畳しているリップルノイズが出力電圧では1 / 1000になることを表しています。具体的には入力電圧に1 kHz、100 mVp-pのリップルノイズが重なっていた場合でも出力電圧に重なっているリップルノイズは0.1 mVp-pに低減されるということです。
図2に業界トップクラスのリップル除去率を有するリニアレギュレータの周波数特性を示します。リップル除去率は周波数が高くなるに従い低下する傾向があり、また負荷電流や入出力電位差に依存して変動します。各メーカーのデータシートには負荷電流の大きさや入出力電位差を変えたリップル除去率の周波数特性のグラフが記載されていますので実使用条件にあわせて参照してください。

 
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図2.リップル除去率対周波数特性が業界トップレベルのリニアレギュレータ(RP122)の事例

 

 

リニアレギュレータ(LDO)の過渡応答特性

入力の電圧や出力の電流が急峻に変化した時に、どれくらいの時間幅でどのくらいの出力電圧の変動があるか、またそれがどのくらいの時間で元の安定状態に戻るかを示す特性です。

 
・負荷過渡応答
負荷過渡応答は負荷電流の急峻な変動に対する出力電圧の変動幅や復帰時間の応答特性です。前回、負荷変動(増加)に対して出力電圧(VOUT)が低下⇒帰還電圧(VFB)の低下⇒誤差増幅器の出力が低下⇒出力ドライバトランジスタのオン抵抗を下げるというように順番に信号が伝わって、出力電圧を復帰させる負帰還制御の動作を説明しました。このように回路の動作は各要素を順番に伝わっていきますのでその遅延によって出力電圧の回復動作に遅れが生じます。これを負帰還回路の応答速度と表現します。応答速度以上の急峻な負荷変動(増加/減少)に対しては応答が間に合わずレギュレータの出力が一時的に降下/上昇してしまいます。そして応答時間が経過すると電圧が復帰します。負荷過渡応答の一例を図3に示します。

 
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図3.負荷過渡応答特性例

 

 
・入力過渡応答
入力電圧の急峻な変動に対する出力電圧の変動幅や復帰時間の応答特性です。
負荷過渡応答と同様に負帰還回路の応答速度以上の入力電圧の変動(上昇/降下)に対して出力ドライバのオン抵抗が変化するまでの時間、出力電圧が一時的に上昇/降下します。
これを表したのが図4です。

 
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図4.入力過渡応答特性例

 

 

リニアレギュレータ(LDO)の消費電流

消費電流はデバイスがその性能を実現するために必要な動作電流です。他のデバイスに供給する電流や他のデバイスを駆動するための電流は含みません。したがって自己消費電流と表現する場合もあります。
CMOS構成のリニアレギュレータでは出力ドライバトランジスタを流れる電流は負荷に供給する電流そのものですので、それ以外の電流がリニアレギュレータの消費電流ということになります。図5では制御回路部分に流れる電流が自己消費電流に相当します。

 
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図5.リニアレギュレータの自己消費電流

 
 

 
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図6.電池寿命をのばすために待機電流を抑えたい用途の事例

 

 
リニアレギュレータをバイポーラで構成すると、例えば負荷に必要な電流を出力ドライバから供給するための制御には負荷電流に寄与しないベース電流が必要となります。バイポーラトランジスタの動作には常にベース電流が必要で、このような電流駆動のトランジスタは待機電流を抑制することが困難です。

一方CMOSは電圧駆動のトランジスタでありDC動作には電流を必要としません。したがってCMOS構成のレギュレータでは自己消費電流を抑えることが容易に実現可能です。
例えば自己消費電流を200 nA程度に抑える一方で、100 mAの電流を供給させるように制御することも可能になります。

図6で示した火災報知機などの電池駆動の製品はほとんどの時間が待機状態であり電源ICから見た場合、例えば火災を検知してブザーが鳴るなど負荷デバイスが動作する時間はほとんどなくそのような用途ではリニアレギュレータの制御回路部分で消費する電流(自己消費電流)を極力抑えることができるCMOS構成のレギュレータを使うことが電池の寿命をのばすことにつながります。

 

消費電流と性能(リップル除去率の高周波側特性、(負荷)過渡応答)

『消費電流』と『リップル除去率の高周波側特性、負荷過渡応答』には基本的にトレードオフの関係があります。すなわち低消費電流型では過渡応答やリップル除去率などが犠牲になり、逆に過渡応答、リップル除去率などの性能を上げようとすると消費電流は増加します。
なお、最近では各メーカーとも、いろいろな回路技術によって、低消費電流とリップル除去率、過渡応答性能の両方を満足させる製品を開発しています。

 

リニアレギュレータ(LDO)の内部損失(消費電力)とパッケージの許容損失

デバイスが内部で消費する電力(内部損失)はそれが熱源となってデバイスの温度を上昇させる一方、パッケージと実装基板を通して放熱されますので、消費電力とパッケージおよび実装基板の放熱特性でデバイスの内部温度が決まります。
また、デバイスが正常に動作することができる温度の上限が決まっていますので、その温度を超えないための消費電力の上限が決まります。これが許容損失です。
データシートには標準として決められた基板に実装された場合の許容損失の値がパッケージの種類ごとに記載されています。
リニアレギュレータは内部の出力ドライバトランジスタで電力を熱として消費することで安定した一定の電圧を生成していますので、許容損失を考慮することが非常に重要です。ただし許容損失はDC/DCコンバータ(スイッチングレギュレータ)でも考慮が必要になりますので、次回以降でも引き続きこの部分の説明をしたいと思います。

 

リニアレギュレータ(LDO)の保護機能について

リニアレギュレータの中でも、特にLDOレギュレータ は出力ドライバトランジスタのオン抵抗が1 Ω以下にもなり得ますので、出力が短絡した場合には想定外の異常電流(大電流)が流れるとことになり、その電力消費による発熱でリニアレギュレータ自身を熱破壊してしまう恐れがあります。そこでリニアレギュレータには自身を保護するための保護機能が搭載されています。そのいくつかを簡単に紹介しておきたいと思います。

 
・過電流保護
出力電流制限値を超えた過電流を制限する保護機能です。出力電流制限値を超えるまでは負荷電流が増加しても出力電圧は一定を維持していますが負荷電流が出力電流制限値に到達すると過電流制限回路によって、リニアレギュレータのドライバに流れる電流は出力電流制限値に制限されます。

 
・短絡保護
何らかの原因で出力端子が短絡状態になると短絡保護回路によってリニアレギュレータは上記の過電流制限動作を経て出力電圧の低下に比例して出力電流制限値が絞り込まれる動作に移行します。出力電圧が0 Vまで低下したときには出力電流は数10 mA程度まで制限されることになります。
過電流制限回路では出力電圧の低下がリニアレギュレータの内部損失の増加となるため、短絡保護回路では出力電流を絞り込むことでレギュレータの内部損失(消費電力)の増加を抑制しレギュレータの熱破壊を防止しています。
このときの出力電流に対する出力電圧の関係を表すグラフが、カタカナの「フ」の字に似ていることから『フの字特性』と呼んでいます。英語は『Fold back protection』です。
 

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図7.過電流保護、短絡保護特性例

 

 
リニアレギュレータ起動時の出力電圧はフの字特性を0 Vから逆に辿って設定電圧に到達します。すなわち、短絡保護回路、過電流保護回路が突入電流制限の役割も果たしています。

 
・過熱保護(サーマルシャットダウン)
半導体チップ内部の温度を監視して、最大ジャンクション温度など、あらかじめ設定された検出温度を超えると、リニアレギュレータの動作を停止し、発熱源となっている出力ドライバトランジスタをオフすることで、熱破壊からレギュレータを保護します。
動作が停止して発熱がとまると、チップ温度が下がりはじめます。あらかじめ設定された復帰温度を下回るとレギュレータは動作を再開します。
ただし出力の短絡などの場合、その原因が取り除かれないと過熱検出と復帰動作を繰り返すことになりますが、そのような動作に対しての信頼性が保証されるものではありません。

 

リニアレギュレータ(LDO)の入出力コンデンサ

前回(第2回)の冒頭で入力電源と入力コンデンサ、出力コンデンサがあればリニアレギュレータに安定した一定の電圧を出力させることができると説明しました。ではこの2つのコンデンサはどのような役割を果たしているのでしょうか? ここでは入力コンデンサと出力コンデンサの役割をいくつか紹介します。

 
まず、出力コンデンサの役割から見ていきましょう。

 
(1) 出力コンデンサ

1)出力コンデンサによる負荷過渡応答改善
負荷過渡応答のところで説明しましたが、負荷過渡応答は負荷電流の変化に対する出力電圧の変動幅や復帰時間の応答特性です。
前回、負荷変動に対して出力電圧(VOUT)が低下⇒帰還電圧(VFB)の低下⇒誤差増幅器が低下⇒出力ドライバトランジスタのオン抵抗を下げるというように順番に信号が伝わって、出力電圧を復帰させる負帰還制御の動作を説明しました。この説明のように回路の動作は各要素を順番に伝わっていきますのでその遅延によって出力電圧の回復動作には遅れ生じます。これを負帰還回路の応答速度と表現します。応答速度以上の急峻な負荷変動に対しては応答が間に合わずレギュレータの出力がドロップしてしまいます。
出力コンデンサはレギュレータが負荷電流の増加に応じた電流が流せるようになるまでの時間、レギュレータの代わりに負荷に電流を供給して出力電圧のドロップを抑制する一時的な電源の役割を果たしています。

 
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図8.出力コンデンサの役割:急峻な負荷電流変動に対する一時的な電池の役割

 

 
2)出力コンデンサによる位相補償
多くのリニアレギュレータは出力コンデンサで位相補償を行なっているため、各製品で動作確認されているコンデンサを使用する必要があります。では、この位相補償とは何でしょうか。

 
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図9.負荷変動に対する出力電圧の発振(イメージ図)

 

 
図9に示した波形は負荷電流が急峻に変化した場合の過渡的な出力電圧の変動を表した波形です。負荷電流が急峻に変化した場合に出力電圧が発振していることがわかります。なぜこのようなことが起こるのでしょうか?
レギュレータの負帰還回路では出力電圧の変化を誤差増幅器が検出してその変化と反対方向に出力電圧が変化するように制御しています。つまり、変化に対して位相が180°シフトした信号で抑え込む制御をしていることになります。ただし、その制御にはその回路が動作するための遅延があります。誤差増幅器が変化を検出して、その変化と反対の信号が誤差増幅器に届くまでの時間の遅れを負帰還回路のループ遅延、あるいは位相遅れと言います。 負荷変動が緩やかな場合にはこの位相遅れは問題になりませんが、負荷変動が急峻な場合には、それによる出力変動も急峻になり、そこに含まれている周波数成分も非常に高くなりますので位相遅れが無視できなくなってしまいます。

例えば誤差増幅器が基準電圧に対して帰還電圧が高いということを検出した場合、負帰還回路のループ遅延時間分遅れて反対方向(基準電圧を下回る方向)に変化する信号として誤差増幅器にもどってくるタイミングと、もともとの出力変動が基準電圧を下回る方向となるタイミングが同じになった場合には、本来、変化に対して反対方向に制御して変化を抑え込むという負帰還制御の動作が逆に位相遅れのためにその変化を増幅することになってしまいます。このような状態になる現象を示したのが、図10です。これを負帰還回路の発振と言います。

 
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図10.負帰還回路の発振と出力コンデンサによる位相補償

 

ただし、負帰還回路は周波数が高くなると応答しづらくなります。すなわち負帰還回路のループ利得が減少していきますので、上記のような発振がおこる条件でもループ利得が1倍以下の場合すなわち増幅ではなく減衰動作となる場合には発振は起こりません。
負帰還回路の位相遅れを改善することと、その位相遅れ(負帰還ループ遅延)が半周期に相当する周波数でのループ利得を1以下にすることが発振を抑制することにつながります。
出力コンデンサは、自身の容量値とその寄生直列抵抗(ESR:等価直列抵抗)によってこの位相遅れの改善を実現するのに重要な役割を果たしています。
このように位相補償とは、負帰還ループの位相の遅れを改善することで負帰還回路の発振を抑制することを指します。このLDOの「位相補償」は出力コンデンサによる大きな容量値とESRによって比較的容易に実現できており、これが無い状態ですべての条件を満たしながら、実際の使用に満足する動作を得ることは非常に困難になっています。
昨今のリニアレギュレータは出力コンデンサにはセラミックコンデンサが使用されており、その非常に小さなESR(約10 mΩ)を前提に設計されていますので、データシートに記載の出力コンデンサを使用することが必須となっています。

 
次に入力コンデンサについて考えます。

 
(2) 入力コンデンサ
リニアレギュレータが起動する場合を考えます。出力電圧は0V、COUTに蓄積された電荷がゼロの状態ですので、レギュレータが起動すると出力容量COUTを充電するために入力端子⇒出力ドライバトランジスタ⇒出力端子⇒COUTに短時間に大電流が流れます。あたかも短絡状態から起動するようなイメージです。このようにレギュレータの起動時に入力端子から出力端子に流れる過渡的な大電流のことを突入電流と言います。 電流を制限しなければ過渡的には数Aの電流が流れる恐れがあります。

 
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図11.入力コンデンサの役割例

 

 
レギュレータに電源を供給している入力電源ラインには寄生インダクタンスや寄生抵抗等のインピーダンスがあるため、この突入電流に相当する過渡的な電流の供給が間に合いません。
入力コンデンサはレギュレータに電源を供給している入力電源あるいは入力側の電源ICからのこの過渡的な大電流の供給が間に合わない場合にそれを補う一時的な電源の役割を果たしています。
入力コンデンサが無いと、この突入電流によって入力電圧が大きくドロップして、リニアレギュレータ自身の誤動作だけでなく入力電源を共有している他のデバイスの動作にも影響を与えます。
他にも入力コンデンサは、電源ラインを共有する他のデバイスの動作によって生じる電源の揺れをGNDにバイパスすることで、リップルを低減する役割があります。
なお、通常リニアレギュレータには起動時の出力電流を制限する機能や、出力電圧の立ち上りを緩やかにする機能が搭載されており、これらの機能によって突入電流を抑制させ、入力電圧のドロップを回避できます。

 
(3) コンデンサの選定と実装
コンデンサには端子間の電圧に依存性して容量値が変化するDCバイアス依存性がありますのでそのことに注意してコンデンサを選定する必要があります。
なお、データシートには動作確認されたコンデンサが記載されています。特に出力コンデンサは位相補償用にも利用されているますので、データシートに記載のコンデンサを使うことを推奨します。
また入力コンデンサや出力コンデンサがその役割(効果)を発揮するには寄生抵抗や寄生インダクタンスの影響を極力小さくする必要があります。そのために入力コンデンサはできるだけVIN端子とGND端子の直近、出力コンデンサはVOUT端子とGND端子の直近に配置する必要があります。

 

おわりに

2回にわたって『リニアレギュレータ(LDOレギュレータ)』について説明してきました。これらの説明によって、リニアレギュレータの動作原理や特徴、使い方を理解していただき、最適な製品を選択するための参考になれば幸いです。
次回からは降圧動作だけではなく、昇圧動作や反転動作(正の電圧から負電圧の生成)が可能な『DC/DCコンバータ(スイッチングレギュレータ)』について、リニアレギュレータとの違いや、これまで触れなかった効率も含めて説明していきたいと思います。

 
最後まで読んでいただきありがとうございました。
 


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s執筆者プロフィール
講師S (リコー電子デバイス株式会社 設計センター 設計技術部)
入社以来長期に渡り、ゲートアレイ・マイコン・メモリ・電源ICなどアナログ・デジタルの各種設計に携わる。その後、複合電源ICのテスト技術も極める~設計・テスティングとその教育のスペシャリスト。毎年入社してくる技術者の卵に対する、聞き手目線の優しい解説と丁寧な指導は社内でも有名。その実績を買われ、現在はシニアエンジニアとして後進の育成や新規技術の相談役として活躍中。

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