電圧レギュレータのタイプと動作原理
役立つ情報を毎月お届けします
プライバシーを尊重します
電圧レギュレータはどのように機能するのか?
電圧レギュレータは、入力電圧や負荷条件の変化に関係なく、固定出力電圧を生成および維持する回路です。
電圧レギュレータ (VR) は、電源からの電圧を他の電気部品と互換性のある範囲内に保ちます。電圧レギュレータはDC/DC電力変換に最も一般的に使用されますが、AC/ACまたはAC/DC電力変換を実行できるものもあります。本稿では、DC/DC電圧レギュレータに焦点を当てます。
電圧レギュレータの種類 : リニア 対 スイッチング
電圧レギュレータには、リニアレギュレータとスイッチングレギュレータの2つの主要なタイプがあります。どちらのタイプもシステムの電圧を調整しますが、リニアレギュレータは低効率で動作し、スイッチングレギュレータは高効率で動作します。高効率のスイッチングレギュレータでは、入力電力のほとんどが消費されることなく出力に転送されます。
リニアレギュレータ
リニア電圧レギュレータは、高ゲインオペアンプによって制御されるアクティブパスデバイス (BJTやMOSFETなど) を利用します。一定の出力電圧を維持するために、リニアレギュレータは、内部電圧リファレンスをサンプリングされた出力電圧と比較し、エラーをゼロに駆動することによって、パスデバイスの抵抗を調整します。
リニアレギュレータは降圧コンバータであるため、定義上、出力電圧は常に入力電圧を下回ります。ただし、これらのレギュレータにはいくつかの利点があります。一般に、設計が簡単で、信頼性が高く、コスト効率が高く、低ノイズと低出力電圧リップルを提供します。
MP2018などのリニアレギュレータは、動作するために入力コンデンサと出力コンデンサのみを必要とします (図1を参照)。それらの単純さと信頼性により、エンジニアにとって直感的で単純なデバイスになり、多くの場合、費用対効果が高くなります。
図1 : MP2018リニアレギュレータ
スイッチングレギュレータ
スイッチングレギュレータ回路は、一般にリニアレギュレータよりも設計が複雑であり、外部部品値の選択、安定性のための制御ループの調整、および注意深いレイアウト設計が必要です。
スイッチングレギュレータは、降圧コンバータ、昇圧コンバータ、またはその2つの組み合わせであるため、リニアレギュレータよりも用途が広くなります。
スイッチングレギュレータの利点には、効率が高く、熱性能が優れており、より高い電流とより広いVIN / VOUTアプリケーションをサポートできることが含まれます。アプリケーションの要件に応じて、95％を超える効率を達成できます。リニアレギュレータとは異なり、スイッチング電源システムでは、インダクタ、コンデンサ、FET、フィードバック抵抗などの追加の外付け部品が必要になる場合があります。HF920は、高い信頼性と効率的な電力調整を提供するスイッチングレギュレータの一例です (図2を参照)。
図2 : HF920スイッチングレギュレータ
電圧レギュレータの制限
リニアレギュレータの主な欠点の1つは、特定の使用例で大量の電力を消費するため、非効率になる可能性があることです。リニアレギュレータの電圧降下は、抵抗の両端の電圧降下に匹敵します。たとえば、5Vの入力電圧と3Vの出力電圧では、端子間に2Vの電圧降下があり、効率は3V / 5V (60％) に制限されます。これは、リニアレギュレータがVIN / VOUTの差が小さいアプリケーションに最適であることを意味します。
より大きな入力電圧を使用すると消費電力が大きくなり、部品が過熱して損傷する可能性があるため、アプリケーションではリニアレギュレータの推定消費電力を考慮することが重要です。
リニア電圧レギュレータのもう1つの制限は、昇圧 (ステップアップ) および昇降圧変換も提供するスイッチングレギュレータとは対照的に、降圧 (ステップダウン) 変換しかできないことです。
スイッチングレギュレータは非常に効率的ですが、いくつかの欠点は、一般にリニアレギュレータよりも費用効果が低く、サイズが大きく、複雑であり、外部部品を慎重に選択しないとノイズが増える可能性があることです。ノイズは回路の動作と性能、およびEMI性能に影響を与える可能性があるため、特定のアプリケーションにとってノイズは非常に重要になる可能性があります。
スイッチングレギュレータトポロジー : ステップダウン、ステップアップ、リニア、LDO、および調整可能
リニアレギュレータとスイッチングレギュレータにはさまざまなトポロジーがあります。リニアレギュレータは、多くの場合、低ドロップアウト (LDO) トポロジーに依存しています。スイッチングレギュレータの場合、3つの一般的なトポロジーがあります。ステップダウンコンバータ、ステップアップコンバータ、および昇降圧コンバータです。各トポロジーについて以下に説明します。
LDOレギュレータ
リニアレギュレータの一般的なトポロジーの1つは、低ドロップアウト (LDO) レギュレータです。リニアレギュレータは通常、入力電圧が出力電圧より少なくとも2V高い必要があります。ただし、LDOレギュレータは、入力端子と出力端子間の電圧差が非常に小さく、場合によっては100mVまで低くなるように設計されています。
ステップダウンコンバータとステップアップコンバータ
ステップダウンコンバータ (降圧コンバータとも呼ばれます) は、より大きな入力電圧を受け取り、より低い出力電圧を生成します。逆に、ステップアップコンバータ (昇圧コンバータとも呼ばれます) は、より低い入力電圧を取り、より高い出力電圧を生成します。
昇降圧コンバータ
昇降圧コンバータは、降圧コンバータと昇圧コンバータの機能を組み合わせて、出力電圧よりも大きくても小さくてもよい広範囲の入力電圧にわたって出力を調整する単段コンバータです。
電圧レギュレータの制御
リニアレギュレータの4つの基本的な部品は、パストランジスタ、エラーアンプ、電圧リファレンス、および抵抗フィードバックネットワークです。エラーアンプへの入力の1つは、出力電圧のパーセンテージを監視するために2つの抵抗 (R1とR2) によって設定されます。もう1つの入力は、安定電圧リファレンス (VREF) です。サンプリングされた出力電圧がVREFに対して変化する場合、エラーアンプはパストランジスタの抵抗を変化させて一定の出力電圧 (VOUT) を維持します。
リニアレギュレータは通常、動作に外部入力および出力コンデンサのみを必要とするため、実装が容易です。
一方、スイッチングレギュレータは、回路を作成するためにより多くの部品を必要とします。電力段はVINとグランドを切り替えて、出力に配信する充電パケットを作成します。リニアレギュレータと同様に、フィードバックネットワークからのDC出力電圧をサンプリングし、それを内部電圧リファレンスと比較するオペアンプがあります。次に、エラー信号が増幅され、補正され、フィルタリングされます。この信号は、PWMデューティサイクルを変調して出力をレギュレーションに戻すために使用されます。たとえば、負荷電流が急激に増加して出力電圧の下垂が発生した場合、制御ループはPWMデューティサイクルを増加させて、負荷により多くの電荷を供給し、レールをレギュレーションに戻します。
リニアおよびスイッチングレギュレータのアプリケーション
リニアレギュレータは、コストに敏感で、ノイズに敏感な、低電流、またはスペースに制約のあるアプリケーションでよく使用されます。例としては、ヘッドホン、ウェアラブル、モノのインターネット (IoT) デバイスなどの家電製品があります。たとえば、補聴器などのアプリケーションでは、不要なノイズを生成してデバイスのパフォーマンスを妨げる可能性のあるスイッチングエレメントがないため、リニアレギュレータを使用できます。
さらに、設計者が主に低コストのアプリケーションの作成に関心がある場合は、消費電力をそれほど気にする必要はなく、リニアレギュレータに頼ることができます
スイッチングレギュレータは、より一般的なアプリケーションに有益であり、消費者、産業、企業、自動車のアプリケーションなど、効率と性能を必要とするアプリケーションで特に役立ちます (図3を参照) 。たとえば、アプリケーションで大規模な降圧ソリューションが必要な場合は、スイッチングレギュレータの方が適しています。これは、リニアレギュレータが高電力損失を引き起こし、他の電気部品に損傷を与える可能性があるためです。
図3 : MPQ4430-AEC1降圧レギュレータ
電圧レギュレータICの基本的なパラメータとは?
電圧レギュレータを使用する際に考慮すべき基本的なパラメータのいくつかは、入力電圧、出力電圧、および出力電流です。これらのパラメータは、どのVRトポロジーがユーザーのICと互換性があるかを判断するために使用されます。
アプリケーションによっては、静止電流、スイッチング周波数、熱抵抗、フィードバック電圧などの他のパラメータが関連する場合があります。
軽負荷モードまたはスタンバイモードでの効率を優先する場合は、静止電流が重要です。スイッチング周波数をパラメータとして検討する場合、スイッチング周波数を最大化すると、システムソリューションが小さくなります。
さらに、熱抵抗は、デバイスから熱を取り除き、システム全体に熱を放散させるために重要です。コントローラに内部MOSFETが含まれている場合、すべての損失 (導電性および動的な) はパッケージ内で消費されるため、ICの最高温度を計算する際に考慮する必要があります。
フィードバック電圧は、電圧レギュレータがサポートできる最低出力電圧を決定するため、調べるべきもう1つの重要なパラメータです。電圧リファレンスパラメータを確認するのが標準です。これにより、より低い出力電圧が制限され、その精度が出力電圧レギュレーションの精度に影響を与えます。
適切な電圧レギュレータを選択する方法
適切な電圧レギュレータを選択するには、設計者はまず、VIN、VOUT、IOUTなどの主要なパラメータ、システムの優先順位 (効率、パフォーマンス、コストなど)、およびパワーグッド (PG) 表示または有効化制御などの追加の主要な機能を理解する必要があります。
設計者がこれらの要件を定義したら、パラメトリック検索テーブルを使用して、目的の要件を満たす最適なデバイスを見つけます。パラメトリック検索テーブルは、アプリケーションに必要なパラメーターを満たすために利用できるさまざまな機能とパッケージを提供するため、設計者にとって貴重なツールです。
すべてのMPSデバイスには、必要な外部部品と、効率的で安定した高性能の設計を実現するためにそれらの値を計算する方法を詳しく説明したデータシートが付属しています。データシートを使用して、出力容量、出力インダクタンス、フィードバック抵抗、およびその他の主要なシステム部品などの部品の値を計算できます。さらに、DC/DC DesignerやMPSmartソフトウェアなどのシミュレーションツールを使用したり、アプリケーションノートを参照したり、質問がある場合は最寄りのFAEに問い合わせたりすることができます。
MPSは、効率的で、コンパクトな様々なリニア電圧レギュレータおよびスイッチング電圧レギュレータを提供しており、それには、HF500-Xファミリ、MP171xファミリMP20056、MP28310、MPQ4572-AEC1そしてMPQ2013-AEC1を含みます。
リファレンス
_________________________
興味のある内容でしたか? お役に立つ情報をメールでお届けします。今すぐ登録を!
アカウントにログイン
新しいアカウントを作成