IoTおよびモバイルデバイス用の電圧レギュレータ

電源および電源管理システムは、モバイルデバイスのバッテリー寿命と性能を延ばす上で重要な役割を果たします。これらのシステムの重要な部分として、電圧レギュレータは電源からの出力電圧を一定の値に保つように設計されています。モバイルデバイスやIoTデバイスに電圧レギュレータを選択する際には、いくつかの点を考慮する必要があります。これには通常、ノイズ、熱管理、および規制からの逸脱の間のトレードオフが関与しますが、これらの点の間で適切なバランスを見つけることが、次のモバイルデバイスが望ましいように動作することを確実にするのに役立ちます。

求められる電圧レギュレータの機能

任意の電圧レギュレータは、いくつかの特定の機能を提供する必要があります。まず、レギュレータは、バッテリーとデバイス内の異なるサブサーキット間の電圧を上げたり下げたりする必要があります。ステップアップ機能は、OLEDのような高電圧デバイスに必要ですが、ステップダウン機能はデジタルCMOS回路によって消費される電力を減らすのに役立ちます。これによりバッテリー寿命が長くなり、バッテリーサイズに大きな影響を与えることなく、追加のカメラや触覚フィードバックなどの新機能を実現できます。

モバイルデバイスでは、信号の整合性を確保するために、ノイズ管理と電力分離が重要です。Gbpsデータレートの最先端RF変調方式は、歪みや干渉アーティファクトに厳しい要件を課します。これは、特に電源からの伝導および放射されるEMIなど、すべてのノイズ源に注意を払うことを要求します。

電力分離の観点から、良い電圧レギュレータは、バッテリーの出力電圧の変化が出力を通じて一時的な信号（パルスRFパワーアンプによって導入されたものなど）を伝播させるのを防ぎ、下流の回路に影響を与えるべきです。最後に、スマートフォン、ウェアラブルデバイス、IoT、またはその他のデバイスであるかどうかにかかわらず、任意のモバイルデバイス用の電圧レギュレータは、小さなフットプリントと低コストを維持しながらもバッテリー寿命を延ばす必要があります。

電圧レギュレータのトポロジ

リニアレギュレータ：これらは通常、基準電圧発生器、エラーアンプ、パワートランジスタ、出力電圧を監視するための抵抗分割器、および電力バス上の電圧を安定させるためのデカップリングコンデンサで構成されています。pnpおよびpFETトランジスタに基づく低ドロップアウト（LDO）レギュレータは、トランジスタの極性に応じてドロップアウト中に異なる静止電流特性を示します。pFETトランジスタは実質的に電流を引き込まず、ドロップアウト中に静止電流の上昇がありませんが、nFETは入力電圧が上昇し出力電圧に近づくにつれて静止電流が上昇します。

リニアコンバータの利点は、その低ノイズとリップル、小から中サイズ、そしてその低複雑さとコストです。欠点には、ステップダウン動作のみであり、効率が低から中程度であることが含まれますが、これは負荷電流、バッテリー電圧、および熱放散に依存します。

リニアレギュレータ。Analog Devicesから入手可能な「LDO設計とアプリケーションの基礎」に掲載されている図。

スイッチングコンデンサレギュレータ：チャージポンプコンバータとも呼ばれ、キャパシタと複数のスイッチを使用して、入力電圧よりも高いまたは低い出力電圧を提供します。これらは、デジタルスイッチに接続されたフライングキャパシタにエネルギーを蓄え、出力に転送します。

チャージポンプコンバータの利点には、他の電圧レギュレータに比べて高効率と放射されるEMIが低いことが含まれます。これは、エネルギーの蓄積と転送にキャパシタを使用し、デジタルスイッチを制御するためにソフトスイッチング技術を使用できるためです。これらのコンバータはフィードバックを使用せずに規制を達成し、代わりに出力電圧の変化を補償するためにスイッチング周期のデューティサイクルに依存します。これらのコントローラは通常、低電力アプリケーションに制限されます。

スイッチングコンデンサレギュレータの回路図と入出力波形

スイッチングレギュレータ：これらのレギュレータは入力電圧を上げる（ブースト）か下げる（バック）ことができ、その極性を反転させることもできます。典型的なバックブーストコンバータは、AC信号を生成するスイッチネットワーク、この信号のDC成分を出力に通すローパスフィルタ、およびAC信号のデューティサイクルまたは周波数を変更することによって出力電圧を調整するフィードバックネットワークで構成されています。

スイッチングレギュレータの出力電圧特性は、LC回路として実装されたローパスフィルタの品質に大きく依存します。出力電圧のリップルノイズとレギュレータの効率は、インダクタのサイズに大きく依存し、大きなインダクタはそれらの等価直列抵抗を通じてより大きなエネルギー損失があるため、リップルを減少させ、回路効率を低下させます。これらのレギュレータ回路は熱を少なく無駄にしますが、一般的にはリニアタイプよりも複雑で、大きく、高価です。

リニアレギュレータとスイッチモードレギュレータを組み合わせることは、モバイルデバイスで複数の電源電圧を生成するための一般的な技術です。電源設計者は、特定のサブサーキットに最適な回路ソリューションを選択するために、電源（バッテリー）と負荷の特性を考慮する必要があります。例えば、モバイルデバイスのプロセッサが10nm以下など、より細かいトランジスタアーキテクチャを使用して製造されるにつれて、それらの供給電圧と電流要件が低下し、レギュレータ回路の静止電流が負荷電流のより大きな割合を占め、回路効率により大きな影響を与えるようになります。

モバイル製品用電圧レギュレータ

Maxim Integrated, MAX8863

MAX8863リニア電圧レギュレータは、ミニチュア5ピンSOT23パッケージで最大120 mAの出力電流を持つ、より信頼性の高い供給電圧（2.5 Vから6.5 V）を提供します。このデバイスはPMOSパストランジスタを使用し、80 µAの供給電流が負荷に依存しないようにしています。これらのデバイスは、様々な信号規格で動作する携帯電話やその他のIoTデバイスなど、バッテリー駆動の携帯機器に最適です。外部抵抗分割ネットワークも使用して出力電圧を調整できます：

デバイスはデュアルモード^™操作を特徴としています：出力電圧はプリセットされているか、または外部抵抗分割器で調整できます。その他の特徴には、低電力シャットダウン、短絡保護、熱シャットダウン保護、逆電池保護が含まれます。 [MAX8863データシートより]

MAX8863のバリアントであるMAX8864には、自動放電機能も含まれています。この機能は、デバイスがシャットダウンモードに設定されたときに出力電圧をアクティブにグラウンドに放電します。

Maxim Integratedからの機能ブロック図

Maxim Integrated, MAX1576

自撮りをするのが好きな人も多く、ラップトップを使ってテレビ会議をする必要がある人もいます。これらの活動やLEDを多用するデバイスは、これらの特定のコンポーネントに安定した出力を提供できる電圧レギュレータが必要です。MAX1576スイッチングキャパシタレギュレータは、モバイルデバイスのバックライトとカメラフラッシュを制御するために設計されており、最大8個の白色LEDを搭載しています（24ピン薄型QFN、4 mm x 4 mmパッケージ）。4つのLEDはバックライト用に最大30 mAまで駆動でき、フラッシュグループの残りの4つのLEDは、LEDごとに最大100 mAまでパルス駆動できます：

MAX1576は、2つの外部抵抗器を使用してメインとフラッシュのフルスケール（100%）LED電流を設定します。LEDの調光には、グループごとにシリアル制御または2ビットロジックによる4つの制御ピンを使用します。ENM1とENM2はメインLEDをフルスケールの10%、30%、または100%に設定します。ENF1とENF2はフラッシュLEDを20%、40%、または100%のフルスケールに設定します。さらに、シングルワイヤーシリアルパルス調光制御のために、いずれかのペアの制御ピンを一緒に接続します。

MAX1576スイッチキャパシタレギュレータのピン図と例示回路（MAX1576データシートより）

Analog Devices, LT1738

Analog Devices社のスイッチングレギュレーターLT1738は、超低ノイズでスルーレート制御されたDC/DCコントローラーです。スイッチングレギュレーターはPWMスイッチング信号のためにかなりノイズが多いとされていますが、LT1738は外部NチャネルMOSFETスイッチで制御された電圧と電流のスルーレートを使用しています。このデバイスは、同様の出力電力とフットプリントを持つ他のスイッチングレギュレーターよりもはるかに弱い放射ノイズを発生させるため、新しいモバイルおよびIoTデバイスでの使用に優れた選択肢となります。

電流と電圧のスルーレートは、スイッチング波形の高調波コンテンツと効率を最適化するために独立して設定できます。LT1738は、効率のわずかな損失で高周波高調波電力を最大40dBまで減少させることができます。LT1738は、シングルスイッチトポロジーに最適化された電流モードアーキテクチャを利用しています...内部オシレータは、スイッチング高調波のより正確な配置のために外部クロックに同期させることができます。

LT1738スイッチングレギュレータのブロック図（LT1738データシートより）。

次のモバイルまたはIoTデバイスは、使用可能な寿命を延ばすために電力を節約し、適切に管理する必要があります。モバイルおよびIoTアプリケーション用に特別に設計された正しい電圧レギュレーターとその他のコンポーネントを使用することで、これを実現できます。次の製品に最適なオプションを決定するために、パートセレクターガイドを使用してみてください。

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