トップ10 スイッチングレギュレータモジュール

スイッチングレギュレータモジュールは、電圧を一つのレベルから別のレベルに変換するより効率的な方法を提供することで、幅広い電子機器にとって不可欠な機能となっています。エネルギーを蓄えて放出することによります。成功の鍵は、回路のニーズに最適な性能を提供する素晴らしい電圧レギュレータを見つけることです。

素晴らしい電圧レギュレータは、出力リップルを最小限に抑える効率的なレギュレータです。しかし、適切なレギュレータを選択することは、ベンダーのコンポーネントリストに記載されている効率評価が全てを語っていないため、難しい場合があります。

効率は本質的に入力電圧と出力電流に依存しており、これは各アプリケーションで異なります。一部のレギュレータは超高効率の性能を提供しているように見えますが、細かい文字を読むと、この評価は最大負荷時にのみ適用され、軽負荷時の効率は大幅に低下することが明らかになります。この不一致が、アプリケーションの運用パラメータに合った条件下でのレギュレータの性能を知ることが重要である理由です。

性能評価の課題

Monolithic Power SystemsのMEZD71202A-Gは、最適なレギュレータを見つけるという課題の優れた例を示しています。このコンポーネントは、オープンフレーム、6.5から24Vの入力ステップダウン電源モジュールで、2Aの連続出力電流と5.0Vの出力電圧を持っています。ベンダーは、最大92%のピーク効率を提供すると主張しています。

設計者にとっての課題は、データシートに効率グラフが特徴付けられているものの、12V入力での60%以上の負荷に対する効率曲線のみを示していることです。しかし、このレギュレータをマイクロコントローラと共に、時折高電流需要のある回路で使用する場合、この効率レベルをほとんど見ることはありません。20mA以下の負荷では平均効率が27%に低下します。70mA以下の負荷では約36%にとどまり、これはほとんどのマイクロコントローラ、特に強力なARM-Cortexデバイスの動作に典型的な負荷です。

この包括的なデータの欠如は、すべてのメーカーに適用される問題です。

レギュレータモデル評価

回路に最適な電圧レギュレータを見つける最良の方法は、利用可能な電圧レギュレータモジュールの実際の性能を、回路設計の特定の要件と比較することです。この記事は、その方法を示し、これらのコンポーネントがパッケージから取り出され、実験室で接続された後にどのように機能するかを説明します。また、効率とノイズに基づいてトップ10の選択肢を明らかにします。

報告された調査結果は、8ヶ月にわたって行われた電圧レギュレータモジュールのテストの結果であり、約4000万のデータポイントを生成しました。これらのテストは、5Vまたは3.3Vの低ドロップアウトリニアレギュレータを置き換えることを目的としたスイッチングレギュレータに焦点を当てています。

今年テストされた40種類の異なる電圧レギュレータの結果で、ほとんどが500mAから2Aの定格負荷を持っています。すべてのテストデータは、partplayground.comでオンラインで利用可能で、結論を導き出すために探索して使用できます。

結果の概要

ブランド間の違いの概要を得る素晴らしい方法は、比較結果のために取られた測定値を比較することです。平均効率のチャートと、その効率の範囲を示す最小/最大領域は、ブランドのパフォーマンスの相対的な指標を提供するのに非常に役立ちます。

ブランド別スイッチングレギュレータの効率

次の画像は、1Aの負荷での各ブランドのレギュレータ効率の測定結果を示しています。この種の測定結果を視覚化することで、データ内のトレンドを簡単に見つけることができます。この例では、一部のブランドが平均的に他のブランドよりも優れているように見えるトレンドがあります。しかし、詳細には注意が必要ですので、各ブランドのサンプルサイズが異なることを念頭に置いて、結論を出す前に慎重に行動してください。

しかし、このチャートは、約300mAの負荷を超えると、メーカーの範囲を問わずレギュレータが比較的安定した効率評価に達することを示しています。この情報は、ほとんどのブランドが500mAから2Aの負荷範囲でレギュレータを扱う際、300mAの負荷以上でまともな性能を発揮することを教えてくれます。

データは、100mA以下の負荷でのレギュレータ効率を見ると、低いもので15％から印象的な99％まで、非常に幅広い効率評価を示しています。下のチャートは、結果のこの部分を拡大して、違いを解釈しやすくしています。

グラフから分かるように、主に低負荷で使用するアプリケーションにスイッチング電圧レギュレータを探している場合、データシートの情報に頼るよりも、潜在的な候補に対して代表的なテストを実施した方が良いでしょう。または、時間と労力を節約し、この記事のテストで収集され、partplayground.comで公開されているデータを見ることもできます。

上記のグラフに示された効率の変動は、一部の電圧レギュレータが他のものよりも広い入力電圧範囲を持っているために生じる可能性もあり、そのためにチャート上の特定のブランドが効率が悪いと表示されることがあります。これを考慮に入れるには、入力電圧と出力電圧の比率に基づいて全レギュレータの効率を示す以下のチャートを見ることができます。データセットには出力電圧の範囲が広いレギュレータが含まれているため、比率に基づいてデータを提示することが最も理にかなっています。

テストされたほとんどのレギュレータは、入力電圧から出力電圧への比率が6未満でした。したがって、この比率を超えると、データセットに貢献するレギュレータが少なくなります。しかし、利用可能なデータに基づいて、入力電圧は特に軽負荷時にレギュレータの効率に大きく影響します。

ブランド別スイッチングレギュレータのノイズレベル

スイッチング電圧レギュレータを選択する際のもう一つの重要な考慮事項は、出力電圧のノイズレベルです。スイッチングロジックからのリップルアーティファクトは、一部の回路設計で問題を引き起こす可能性があり、ノイズレベルが高すぎる場合に回路に追加のコンポーネントを追加するよりも、低ノイズレベルのレギュレータを選択する方が常に簡単で実用的です。

次のグラフは、効率比較と同じ注意点を持って、ブランドごとのノイズ性能を比較しています：各ブランチの異なるサンプルサイズがトレンド結果に影響を与える可能性があります。

これらの指標結果は、興味深いことに、最も効率的なレギュレータの中には、最も低いノイズレベルを生産するものもあることを示しています。したがって、これら二つの要因は、全体としてのレギュレータの性能品質を示しています。

異なる入力電圧でのノイズレベルの測定結果も、各レギュレータについて出力ノイズレベルが比較的一貫していることを示していますが、出力ノイズレベルの最も大きな変動の原因は負荷変更です。

スイッチング電圧レギュレータのスコアリング

各レギュレータに測定された性能に基づいてスコアを割り当てることにより、トップ10のスイッチング電圧レギュレータを決定しました。スコアリングは、最大および平均効率、20mAおよび70mAの負荷点での絶対効率とノイズレベルを考慮に入れました。スコアの基礎は、テストされた各レギュレータの各指標におけるパフォーマンスが、データセット内の他のすべてのレギュレータのパフォーマンスと相対的にどの程度であったかでした。

スコアリングスキームは、すべての負荷で最も優れたパフォーマンスを発揮し、最も低いノイズレベルを生成したレギュレータが最高スコアを得られるように導き出されました。一つのテストポイントで非常に良好な結果を出したが、他のテストポイントで悪い結果を出したレギュレータが、人為的に高いスコアで結果を歪めないようにすることが重要でした。

また、スコアリングは純粋にパフォーマンスに基づいているため、コスト、出力電圧、および出力電流定格などの要因はランキングに影響を与えないことに注意することが重要です。

それでは、テストされ、スコアされたスイッチング電圧レギュレータのトップテンリストを見てみましょう。

スイッチング電圧レギュレータランキング

1. トップスポットには、GAPTEC Electronic LMO78_05-1.0があります。最初に利用可能な製品情報を見たときには、最小限のデータシートのために特別なものには見えないかもしれません。テスト結果によると、このレギュレータは最大効率99.3%という印象的な数値と、平均効率82.2%、そして尊敬すべき低平均ノイズ5.54mVを誇っています。70mAと20mAの軽負荷下では、それぞれ77.5%と77.7%の効率で強力な性能を維持しています。優れた負荷ステップ応答を示しますが、起動には時間がかかるため、一部のアプリケーションには不適格かもしれません。
2. 2位には、GAPTEC Electronic LCB78_05-0.5があります。このレギュレータも、満載時の効率対入力電圧チャートとノイズチャートのみで、十分なデータシート情報が欠けています。それにもかかわらず、最大効率99.3%でトップモデルに匹敵しますが、平均効率は81.2%でわずかに劣ります。平均ノイズは5.19mVで比較的低く、20mAの負荷下で5.34mVにわずかに増加します。
3. 第3位にはTraco Power TSR 2-2433がランクインしています。驚くべきことに、このコンポーネントのデータシートにはチャートが含まれておらず、その潜在能力を隠しています。この3.3V 2Aレギュレータは、最大効率95.5%、平均効率81%を実現し、平均ノイズはわずか3.79mVに抑えられています。
4. 次に4位にランクインしているのはCUI VX7803-500です。この3.3V 0.5Aレギュレータは、最大効率98.8%、平均効率76.8%を達成しています。ノイズレベルは4.38mVと適度に保たれていますが、20mA未満の負荷では平均ノイズが6.82mVに増加します。
5. 5位にはXP Power VR05S05がランクインしています。この5V 0.5Aレギュレータは、高負荷時に4.85mVと比較的良好なノイズレベルを維持しながら、高効率95.2%、平均80.5%を達成しています。低負荷時にはノイズレベルが増加しますが、効率は快適な範囲内に収まっています。
6. 6位にはTraco Power TSR 1.5-2433Eがランクインしています。この3.3V 1.5Aレギュレータは、全体的な効率が94.6%と高く、平均効率も77.9%とまずまずです。フルロード時の平均ノイズレベルが3.27mVと低電圧リップル動作を実現していますが、低負荷時には効率がわずかに低下するものの、堅実な選択肢と言えます。
7. 7位にはCUI VXO7803-1000が入っています。この3.3V 1Aレギュレータは、最大効率が94.7%と高く、平均効率も77.8%と比較的良好です。しかし、トップ10の中で比較するとノイズレベルが高く、平均6.23mVを記録しています。
8. 8位にはRecom Power R-78C5.0-1.0が位置しています。最大効率は94.2%に達し、平均効率は77.5%です。この5V 1Aレギュレータは、フルロード時のノイズ数値が3.73mVと低いです。しかし、20mA未満の低負荷時には効率が顕著に低下し、平均でわずか60.4%となり、このトップ10リストの中で最も低い効率を示しています。
9. 9位にはGAPTEC ElectronicのLME78_05-1.0がランクインしています。この5V 1Aレギュレータは、最大効率が93.4%、平均効率が78.4%となっています。ノイズレベルは平均6.1mVとやや高めですが、低負荷条件下では合理的に動作します。
10. 最後に、10位にはGAPTEC ElectronicのLMO78_05-0.5があります。この5V 0.5Aモジュールは、最大効率94.7%、平均78.1%という印象的な数値を達成しています。ノイズレベルは6.31mVと若干高めですが、低負荷時には能力を発揮するレギュレータですが、20mA未満の負荷では効率が65.5%に低下します。

トップテンには入りませんでしたが、名誉ある言及に値するのはWürth Elektronikが生産するレギュレータです。ここで検討された全てのレギュレータの中で、最も高い標準のデータシートを持っているため、私はよくこれらを使用することを選びます。最も優れたWürth Elektronikのレギュレータは、このランキングで使用された採点方法の下で12位にランクインしましたが、製品サポートとデータシートの品質が要因であったなら、はるかに高いスコアを得ていたでしょう。

結論

回路設計に最適なスイッチング電圧レギュレータを選択するのは難しくあるべきではありません。入力電圧と出力電圧、負荷範囲全体での出力電流、許容可能な最大ノイズレベルなどの主要なパラメータを知っていれば、効率、コスト、パッケージングなどの要因に基づいて選択できるはずです。

この演習からの主要な教訓の一つは、テストされた電圧レギュレータモジュールのデータシートから、明確で信頼性があり、包括的な性能データが欠けていることでした。重要な性能パラメータにアクセスできない場合、最適なオプションを見逃す可能性があります。

この演習の目的は、設計プロジェクトに最適なレギュレータを選択するために、実際の性能データの情報セットを提供することでした。分析やランキングを行いたい場合は、partplayground.comで利用可能な何百万ものデータポイントがあります。これからも実際のコンポーネント分析のビデオが公開されるので、注目してください。テストと結果についてもっと学ぶために、付随するビデオを見るのを忘れないでください。

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