PCBでのLDOとスイッチングレギュレータの使用

私たちが望むほど、電子機器に供給される電力が常に安定しているわけではありません。実際の電源にはノイズが含まれていたり、電力が不安定になったり、予期せず電力が落ちたりすることがあります。幸いなことに、これらの問題のいくつかを防ぐために電力レギュレータがあります。

低電力デバイスの場合、一般的に2種類の電力レギュレータがあります：リニア電圧レギュレータ（低ドロップアウトレギュレータまたはLDOとも呼ばれる）またはスイッチングレギュレータです。これらを電力バスの異なるポイントで組み合わせることができますが、LDOとスイッチングレギュレータのどちらを使用するか、リニアレギュレータとスイッチングレギュレータの違いを選択する問題がまだ残っています。

これらの決定がどのように行われ、どのタイプのレギュレータを使用するか疑問に思ったことがあるなら、入出力の電圧/電流を単純に見るだけではないことを知っておいてください。低電力設計のためにリニア電圧レギュレータとスイッチングレギュレータを選択する方法についてもっと学ぶために読み進めてください。このブログではPCBレイアウトに興味があるので、LDOやスイッチングレギュレータをサポートするためにレイアウトで何が必要かについて簡単に説明します。

リニア電圧レギュレータとスイッチングレギュレータの比較

これらのタイプの電力レギュレーターでコンポーネントの配置とレイアウトに入る前に、それぞれの回路がどのように機能するかを思い出すことが最善です。LDOの回路図は、ステップダウン型の直流-直流電圧コンバーターであり、バックコンバーターと比較するのが最適です。また、トランジスタを使用する抵抗性リニアレギュレーターやシリーズレギュレーター、シャントレギュレーターもありますが、PCBの電力バスでよく使用されないため、今はこれらについては触れません。

低ドロップアウトレギュレーター（LDO）

LDOは、オペアンプに基づくリニアレギュレーターです。この回路は、レギュレーターの出力と基準電圧（約1.25Vの出力を持つシリコンバンドギャップ基準）をフィードバックループ内で比較することによって動作します。基本的なトポロジーは下記の通りです。この図ではNPNトランジスタが使用されていますが、実際の回路では通常MOSFETを見つけることができます。

LDOのヘッドルーム

低ドロップアウト電圧レギュレータには、「ヘッドルーム」とも呼ばれるドロップアウト電圧があり、これは名目上の出力よりもわずかに高い電圧で、コンポーネントがオンになるかどうかを決定します。V(in) - V(out) > ヘッドルームである限り、そのコンポーネントは名目上の出力電圧を提供します。電圧分割器は、入力電圧を下げて、オペアンプが基準電圧(V-Ref)と比較できるようにします。LDO回路を個別のコンポーネントから構築していない限り、オペアンプ回路の設定やR1/R2の選択について心配する必要はありません。これらはコンポーネントに統合されています。

最後に、C1とC2はそれぞれ入力と出力の電圧をクリーンアップするフィルターキャパシタです。これらの値はヘッドルームには影響しませんが、入力と出力のノイズを減衰するのに役立ちます。オペアンプは、入力電圧がレギュレータのヘッドルームよりも高い限り、レギュレータの出力を望ましいレベルに設定します。

バックコンバータ

上記の通り、LDO回路はバックコンバータと比較されることが最も適しています。なぜなら、どちらもステップダウンコンポーネントだからです。任意のスイッチングコンバータの目標はシンプルです。スイッチング要素を用いて負荷に供給される電流と電圧を変調することにより、安定かつ調整可能な出力電圧を生成することです。これは通常、PWM信号で駆動されるパワーMOSFETですが、共振LLCコンバータのようなはるかに大きなレギュレータは、高電流出力を提供するために複数のMOSFETを並列に使用することがあります。いずれにせよ、すべてのバックレギュレータは入力電圧の低周波変動を抑制しますが、MOSFETのスイッチング動作による高周波ノイズが出力に現れるため、これはシミュレーションで明確に見ることができます。

LDOとバックコンバータの比較

では、これらのレギュレータをいつ使用すべきか？どちらもDC電圧を有用なレベルにステップダウンし、ノイズを除去するので、交換可能ではないでしょうか？実際には、時に交換可能ですが、必要な電力レベルと電源の特性によって異なります。以下の表は、これらの回路のタイプごとの異なる側面とその利点を要約しています。

この表には多くの情報がありますが、ここでいくつかのポイントを要約するために最善を尽くします。

1. LDOは、スイッチングレギュレータに比べてノイズが少ない代替品です。レイアウトが簡単で、コストも低い傾向があります。
2. LDOは、スイッチングレギュレータの下流で使用され、電圧をさらに低いレベルまで下げることがあります。実際に、いくつかのスイッチングレギュレータのコンポーネントには出力にLDOが含まれています。例としてADP5037を参照してください。
3. スイッチングレギュレータは、PWM駆動周波数を調整するだけで非常に正確な電圧制御を提供できます。LDOレギュレータでは、制御は受動的です。

PCBレイアウトにおけるLDOとスイッチングレギュレータ

このトピックはかなり深い内容で、PCBレイアウト部分はレギュレータ回路、電源バス、および下流の負荷に焦点を当てることができます。私が好んで従う二つのガイドラインがあります：

• 希望する電流をサポートするために必要なトレース幅に注意し、IRドロップを低く保ち、温度を安全な範囲内に保つこと。高電流で作業しているときは、ポリゴンプールの使用を恐れないでください。
• ループインダクタンスを小さく保つ。これは、コンポーネントを互いに近づけ、PCB内でリターンパスをトレースアウトして、EMI問題を作り出していないことを確認することを意味します。

以下の画像は、私が意味することを示しているはずです。このレイアウトは、3 MHzで動作するスイッチングレギュレータ用です。L2とフィルタキャップによって作られるループ、つまり重要な部分が近くのグラウンドプアに対して緊密な円形のリターンパスを持っていることに気付くでしょう。これは低放射EMIの発生と受信を保証するのに役立ちます。同じ原則がLDO回路にも適用されますが、その場合はスイッチングがないため、EMIの受信についてより心配します。

LDOやスイッチングコンバータのアプリケーションノートでレイアウト例をよく見かけるでしょう。これらには注意が必要です。電流を扱うには問題ないかもしれませんが、レイアウトにEMIの問題が潜んでいる可能性があります。アプリケーションノートのこれらのEMI問題は、しばしば不適切に定義されたリターンパスや、低ループインダクタンスを持つコンパクトなレイアウトを作成することに失敗することから発生します。Mark Harrisは最近の記事でスイッチングレギュレータのためのコンパクトなPCBレイアウトの素晴らしい例を示していますので、経験豊富なレイアウトエンジニアからの良いガイドラインを見るためにぜひチェックしてください。

PCBレイアウトでリニア電圧レギュレータとスイッチングレギュレータのどちらを選択するか決定したら、Altium Designer®の最高のCADツールセットとコンポーネント管理機能を使用して、設計の配置と配線を行います。設計が完成し、製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365™プラットフォームを使えば、プロジェクトの共有と協力が簡単になります。Altium DesignerとAltium 365で可能なことの表面をかすめただけです。製品ページでより詳細な機能説明を確認するか、オンデマンドウェビナーのいずれかをご覧ください。