データシートを超えて：電圧レギュレータの実世界テスト

最近、さまざまな電子部品のテストに力を入れています。なぜデータシートを読んで時間とお金を節約しないのかと思われるかもしれません。その答えは、データシートには、特定の使用例に賢く選択するために必要な詳細がしばしば含まれていないか、またはデータシートが実際の性能よりも部品を有利に見せかけることがあるからです。私は、作成し構築するプロジェクトでの部品選択が実際のテストでどのように機能するかを知りたいのです。

前回の投稿で、テストプロセスを通過したトップ10スイッチングレギュレータモジュールについて強調しました。今回は、テストしたリニア電圧レギュレータの性能についてお話しします。  

リニアレギュレータ vs. スイッチングレギュレータ

リニアレギュレータの仕組み

リニア電圧レギュレータは、ある電圧から別の電圧へのステップダウン変換を提供します。そのエポキシシェルの深くには、特定のバンドギャップ電圧に基づいた非反転コンパレータ入力、出力電圧を監視する反転コンパレータ入力、およびコンパレータ出力に接続されたトランジスタが見つかります。入力電圧がわずかに変動すると、高利得コンパレータ回路はトランジスタのバイアス電圧を調整し、直ちに出力電圧と電流に影響を与えます。要するに、リニア電圧レギュレータは、入力電圧に関係なく一定の出力電圧を生成するのに非常に優れています。この迅速な反応は、非常に高い電源リジェクション比（PSRR）をもたらし、これにより、敏感な下流回路（センサー、ADCなど）との使用に最適です。

しかし、リニアレギュレータは完璧ではなく、微妙なデバイスではありません。入力電圧と出力電圧の差は、レギュレータ内で熱として散逸されます。例えば、12Vの入力から5V @ 1Aの出力は、(12 V - 5 V)*(1 A) = 7 Wの熱を発生させます。5ワットの電気エネルギーに対して7ワットの熱エネルギーは、良い取引ではありません。

スイッチングレギュレータの仕組み

スイッチングレギュレーター、またはスイッチモード電源（SMPS）は、高周波スイッチングと、キャパシターやインダクターなどのエネルギー貯蔵コンポーネントを組み合わせて、入力電圧を下げたり、さらには上げたりします。その主な特徴は効率であり、リニアレギュレーターは入力電圧と出力電圧の範囲が広がるにつれて効率が低下しますが、スイッチングレギュレーターは広い範囲の電圧と負荷にわたって高効率を維持することができます。

スイッチングレギュレーターの機能は、回路への入力電圧を高速でオンとオフに切り替えることによって行われます。オン時間とオフ時間の比（デューティサイクル）を制御することで、出力電圧を調整できます。レギュレータースイッチがオンの間、エネルギーはインダクター内の磁場として貯蔵され、その後、調整された電圧として出力に放出されます。キャパシターは、この急速に上昇および下降する電圧を平滑化し、比較的滑らかな出力を提供します。このプロセスは、余分なエネルギーを回路に導入せず、熱に変換する必要がないため、リニアレギュレーターと比較して効率を大幅に向上させます。

残念ながら、このアプローチにはいくつかの欠点もあります。スイッチングレギュレータはサイクルごとに動作するため、リニアレギュレータができるように、負荷や入力電圧の変化に対して迅速に反応することができません。負荷が変化すると、一時的な電圧の低下やスパイクを経験することがよくあります。スイッチの「オン」時間中に入力電圧がインダクタを介して出力に接続されるため、入力供給のノイズがリニアレギュレータよりもはるかに簡単に出力に到達することがあります。さらに、レギュレータのスイッチング動作自体が独自のノイズを発生させます。インダクタがエネルギーを蓄えて放出すると、スイッチング周波数で電圧変動が発生します。

注記として、スイッチングレギュレータには複数のトポロジが存在するため、これは非常に一般的で広範な動作の概要です。

スイッチングレギュレータとリニアレギュレータの組み合わせ

入力レールと出力供給の間に高電圧差があり、ノイズのない供給が必要な場合、直列にSMPSとリニアレギュレータを使用することができます。SMPSは電圧供給をリニアレギュレータのためのより適切な入力電圧まで下げ、リニアレギュレータは低ノイズの供給ラインを提供します。例えば、3.3 Vのセンサーを12 Vのバッテリーで駆動する場合、スイッチングレギュレータを使用して12 Vから4.5 Vに下げ、その後リニアレギュレータを使用して4.5 Vから3.3 Vに下げるかもしれません。9Vバッテリーからデュアルレール供給を構築した私の記事とビデオをチェックすることで、これの実際の回路の例を見ることができます。

低電圧降下（LDO）

物理学は制約を提供します - スイッチングレギュレータやリニア電圧レギュレータが正しく機能しなくなる点があります。その点は通常、下流回路の電流要件に何らかの形で依存しています。例えば、バッテリーのような電圧が下がる上流の電源から、マイクロコントローラーのようなデバイスに安定した電圧を供給するためにLDOリニアレギュレータを使用する計画がある場合、回路が機能しなくなる場所を特定し、その電圧を感知する方法を見つけ、操作が信頼できなくなる前に回路をシャットダウンすることが望ましいです。

実世界の性能テスト

78L09

Onsemi、STMicroelectronics、Texas Instrumentsからの78L09タイプ100 mAレギュレータ5個をテストしました。これらの部品が全て同じ部品番号を持っているため、互換性があると期待しました（結果はこちら）。そして、それは良いことでした、なぜなら彼らが全て同じように性能を発揮するわけではないからです！

ドロップアウト電圧

ドロップアウト電圧とは、電圧レギュレータモジュールが指定された通りに機能するために必要な最低入力電圧のことです。つまり、9Vの規制出力に対して、オン・セミのMC78L09ABPRAGは最小入力電圧が9 V + 1.63 V = 10.63 Vである必要があります。最良部品と最悪部品のドロップアウト電圧の差は170 mVあり、テキサス・インスツルメンツのUA78L09ACLPRE3は正しく機能するために10.8 Vが必要です。つまり、私は最悪の部品選択に対してソリューションを設計するか、または最良の部品を選択して代替品を受け入れないかのどちらかを選ぶ必要があります。しかし、どちらにしても何かを失っています。最悪の部品に対して設計する場合、余分なエネルギーを熱として放出し、電力予算を減らし、不必要にバッテリー寿命を短くしてしまいます。最良の部品に対して設計する場合、追加の費用、あるいはもっと悪いことに、部品不足に自分自身を縛り付ける可能性があります。 

もし、購買マネージャーが「Texas Instrumentsの78L09をOnSemiの78L09に置き換えても大丈夫ですか？生産ランで全体で約200ドル節約できます。」と言った場合、答えは単純な「はい」であるべきですが、代替部品をテストせずに、ドロップアウト電圧、熱出力、またはノイズ性能をどれだけ厳密に設計したかによって、回路が期待通りに動作しない可能性があります。

効率

複数の入力電圧点で効率をチェックすると、非常に軽い負荷下で10から15パーセントの差が出ることがわかります。それほど大きな違いには聞こえないかもしれませんが、バッテリーから動作している場合や、ケースが環境に熱エネルギーを容易に放散できない場合、そのわずかな変化が設計の寿命やデューティサイクルに悪影響を及ぼす可能性があります。

幸いにも、これらのレギュレーターの最大電流定格に達する頃には、すべてが数パーセント以内の差で収まります。Texas Instrumentsのコンポーネントは、最大定格電圧24Vで失われます。対照的に、他の4つのレギュレーターは、最大30ボルトの入力まで動作できます。

11.9Vの入力と8ミリアンペアの負荷で、全てのコンポーネントを通じて6から18ミリボルトのノイズを測定しました。負荷が30ミリアンペアになると、各レギュレーターは互いに1ミリボルトRMSノイズ以内に収まります。これらのレギュレーターで高利得アンプのような低電流で敏感なデバイスを駆動する場合、最初にテストせずに代替部品に切り替えると、レギュレーター間のノイズの差が理想的でないかもしれません。

リニアレギュレーターを最大入力電圧で動作させることをお勧めしませんが、30ボルトの入力でのノイズは異なるメーカー間で大きく変わることがあります。

では、どのレギュレーターを選ぶべきでしょうか？私は全てのテストデータを集約し、注目すべき数値をハイライトし、テストしたレギュレーターをランク付けするために非常に長いSQLクエリを書きました。ランキングは低平均ドロップアウト電圧、高効率、低ノイズを優先します。

位置1と2には、Microchip MCP1700とMCP1702があります。これらをそれぞれ3.3ボルトと5ボルトのバリアントでテストしました。これらのレギュレータは、私がテストしたすべてのレギュレータの中で最も低い電圧降下を持っており、非常に高いランクを獲得しました。ノイズ性能も優れていますが、前回見たスイッチングレギュレータと同様に、安定した動作のために最小負荷が必要です。ただし、スイッチングレギュレータよりもはるかに低いです。

ノイズデータは、比較的ノイズフロアが高い私のRigol MSO5000シリーズのスコープで収集されました。将来的には、はるかに低いノイズフロアを持つRohde and Schwarz MXO44やKeysight MXRで、すべてのレギュレータを再テストする予定です。

効率はランキングのためのもう一つの重要なパラメータであり、Microchip MCP1700シリーズは...リニアレギュレータとしては非常に優れた性能を発揮します。効率チャートは、入力電圧と効率の間のリニアな関係を明確に示しています。

次にランキングに登場するのは、STMicroelectronicsのLF50CV、5ボルト半アンペアのレギュレータです。チャートを見ると、ドロップアウト電圧がMCP1702の5ボルトレギュレータよりも高いように見えるかもしれません。しかし、このレギュレータは、MCP1702の最大250mAの2倍の電流を供給できます - MCP1702の250mAの最大値で、LF50CVはドロップアウトに関してわずかに優れた性能を発揮します。効率に関しては、MCP1702とほぼ同じです。

ノイズデータはドロップアウトデータとかなり似ています。チャートを見るだけで、LF50CVがはるかにノイズが多いように見えますが、負荷を2倍にする傾向が続いているだけのことです。例えば、8ボルトの供給電圧と250mAの負荷で、MCP1702は3.79mVのRMSノイズがありますが、LF50CVは270mAの負荷で3.46mVです。

テキサス・インスツルメンツのLM3940IT 1アンペア、3.3ボルトレギュレータに移ると、電圧ドロップアウトはMCP1700よりもわずかに良いです。効率チャートを見ると、かなり興味深いことがわかります。このレギュレータの軽負荷時の効率は急激に低下し、見たレギュレータの中でこのような急激な低下を示す最初のものです。全体として、効率が線形点に達すると、MCP1700よりも数パーセント効率が低いです。

LM3940ITのノイズも興味深いですが、その理由は推測できると思います。全体的に、ノイズ性能は非常に軽い負荷で非常に安定しており、優れています。チャートの大きな突起は、測定エラー、特にレギュレータが熱シャットダウンを開始することによるものだと思います。これらのレギュレータは、高性能の熱伝導ペーストを使用し、両側にファンを備えた巨大なヒートシンクに取り付けられていますが...それでも、一部のコンポーネントのパッケージから熱を移動させるには十分ではありません。LM3940ITの全電圧および全負荷にわたる平均ノイズは、これらの奇妙なノイズスパイクがあっても、テストされたすべてのレギュレータの中で最も良いです。

第5位にランクインしたが、決してランキングの底辺ではないのは、テキサス・インスツルメンツの別の部品、TL780-12KCSです。これは1.5アンペアの12ボルト出力レギュレータです。高い電流と出力電圧を考えると、既に見てきた部品と比ぼるとかなり大きな電圧降下が予想されます。データは期待を裏切りません - 1.5アンペアの負荷をかける場合、部品間のばらつきに少し余裕を持たせるために、このレギュレータには少なくとも15ボルトを供給する必要があります。その負荷で、4.5ワットの無駄な熱を処理する必要があります！驚くことではありませんが、30ボルトの入力から1.5アンペアの負荷を供給しているときに、レギュレータは熱暴走に陥りました。それでも、テスト中に最も早く熱暴走に至ったわけではありません。

効率は期待通りであり、最後のTI部品から見たように、最軽負荷での急激な効率の低下があります。これは非常に安価なレギュレータなので、スイッチングレギュレータよりも選ぶ理由がわかりますが、出力ノイズが問題でなければ、熱管理にかかるコストが、リニアレギュレータの代替スタイルのスイッチングレギュレータを選ぶコストを上回る可能性があります。

それでは、ノイズについて見てみましょう。このようなレギュレータを見ている場合、それは効率のためではありません！最軽負荷下でわずかな不安定性がありますが、それはすぐに消えます。そのノイズ性能は、全負荷範囲にわたって比較的一貫しています。

リニアレギュレータの探求を締めくくるために、中心的な質問に戻りましょう。リニアレギュレータをスイッチングレギュレータよりも使用すべき時はいつでしょうか？見てきたように、答えは効率、ノイズ、および熱管理のバランスにかかっています。リニアレギュレータは、特に敏感なアナログ回路で低ノイズが重要なアプリケーションにおいて、選択肢となります。しかし、特に高負荷や入力から出力までの電圧差が大きい場合の効率の欠点は無視できません。

これらの35のリニアレギュレータを通じた旅は、性能のばらつきの魅力的な風景を明らかにしました。同じコンポーネントファミリー内でも、プロジェクトの性能と設計上の考慮に大きな影響を与える可能性のある違いが観察されました。これは、データシートの仕様にのみ依存せず、実世界でのテストの重要性を強調しています。

信頼性の高い電力エレクトロニクスや先進的なデジタルシステムを構節する必要がある場合でも、Altium Designer®の完全なPCB設計機能セットと世界クラスのCADツールを使用してください。今日の多分野にわたる環境でのコラボレーションを実装するために、革新的な企業はAltium 365™プラットフォームを使用して設計データを簡単に共有し、プロジェクトを製造に移行しています。

Altium DesignerとAltium 365で可能なことの表面をかすめただけです。今日、Altium Designer + Altium 365の無料トライアルを開始してください.