共通安定化電源---DCDCとLDO

最近では DCDC や LDO が仕事でよく使われるようになったので、よく勉強する必要があります。

1. LDOの定義と原理

1.1 LDO の概要

LDO (低ドロップアウトレギュレータ) は、低ドロップアウトリニアレギュレータです。これは従来のリニアレギュレータと比較したものです。従来のリニアレギュレータチップは、入力電圧が出力電圧より少なくとも2V〜3V高い必要があり、そうでないと正常に動作しません。しかし、場合によっては、そのような条件が明らかに厳しすぎる場合もあります。たとえば、5V ～ 3.3V、入力と出力間の電圧差はわずか 1.7V であり、これは明らかに従来のリニアレギュレータの動作条件を満たしていません。この状況に対応して、LDO のような電圧変換チップが登場しました。たとえば、一般的な AMS1117 (以下の図を参照) の場合、最小入出力電圧差は 1.2V です。つまり、AMS1117 が 3.3V の電圧を出力する必要がある場合、少なくとも 4.5V より大きくなければなりません。そうしないと3.3Vの電圧を安定して出力できません。

低ドロップアウトリニアレギュレータは、降圧アプリケーションでのみ使用されます。つまり、出力電圧は入力電圧より低くなければなりません。その利点は、優れた安定性、高速な負荷応答、および小さな出力リップルです。欠点は、効率が低いこと、入出力電圧を大きくすることができないこと、負荷を大きくしすぎないこと (出力電力が大きくないこと) です。

1.2 LDOの原理

LDOの内部はスライディングレオスタットに相当し、チップの出力電圧が設定値より高い場合はスライディングレオスタットの値が増加し、チップの出力電圧が設定値より低い場合はスライディングレオスタットの値が増加します。、スライディングレオスタットの値が減少します。DCDCの内部はスイッチであるため、LDOが発生する熱は比較的大きく、少なくともDCDCチップよりも高いのが内部の可変抵抗器であるため、必然的に発生します。

したがって、LDOを使用する場合には発熱の影響に注意する必要があります。LDOの内部はかなりの摺動抵抗器となっており、入出力間の圧力損失を熱エネルギーに変換された抵抗で全て消費しているため、当然LDOが動作すると発熱します。チップの消費電力 $U*I=(U_{アウト}-U_{イン})*I_{アウト}$ 。例えば、LDOチップの入力が12V、出力が5V/1Aの場合、このときのチップの消費電力はとなります $(12V～5V)*1A=7W$ 。消費電力はデータを見ただけでは分からないかもしれませんが、小型の電気はんだごてと比較すると直感的に分かります（写真は一例です）。一般的なチップ温度が60℃以下であれば安全ですが、90～120℃になると危険な状態となり、120℃になると破損する可能性があります(特殊な高温でない限り)。 -耐性チップ)。

2. DCDCの定義と原理

2.1 DCDC の概要

DCDC は小型のパワースイッチモジュールであり、半導体スイッチ、整流ダイオード、平滑フィルタリアクトル、コンデンサなどの基本コンポーネントで構成されています (図を参照)。最も一般的な日常使用は、電源アダプタ 12V を 3.3V (または 5V) に変換して回路基板に電力を供給することです。先ほども書きましたが、LDOを12Vから5Vに変換する際、7Wの電圧降下電力がすべて内部抵抗で加熱されることになりますが、あえてそのような基板を使うのでしょうか？したがって、高ドロップアウトのシナリオでは DCDC スイッチングレギュレータを使用する必要があります。さらに、DCDC レギュレータには、95% もの高効率を実現できるという利点もあります。DCDC の効率がなぜこれほど高いのか、まずその原理を理解する必要があります。

2.2 DCDCの原理

DCDC 内部はスイッチに相当します（図参照）チップ出力電圧が設定値より高い場合はスイッチが閉じる時間が短くなり、チップ出力電圧が設定値より低い場合はスイッチが閉じます。クローズ時間が長くなる 1 点は、PWM パルス幅変調です。

DCDC内部はスイッチに相当しますので、入力電圧と出力電圧はスイッチで分離されており、自己発熱はありません。

3. DCDCとLDOの比較

スイッチング電源の効率は非常に高く、一般に 80% を超え、さらに良い場合は 95% に達することもあるということはすでに知られており、これが強力な DCDC 負荷容量も決定します。たとえば、負荷は 5V2A、つまり 10W の電力を供給する必要があります。効率が 80% の場合、入力電力は少なくともであり $10W/80%=12.5W$ 、入力電圧が 12V の場合、 $12.5W/12V=1A$ 入力電流に必要な電流は十分です。

では、同じジョブを LDO で実行するとどうなるでしょうか?

LDO の効率は一般的に 40% 程度です (チップのマニュアルに記載されています)。同じ負荷が 5V2A、つまり 10W の電力を供給する必要があり、効率が 40% である場合、入力電力が少なくとも $10W/40%=25W$ 12V である場合、入力電流は $25W/12V=2A$ 電流でなければなりません。

LDOとDCDCの適用状況が一目瞭然

DCDC	します
電圧差が大きく、電流が大きいシナリオに最適	低ドロップアウトおよび低電流のシナリオに適しています
大きな波紋	小さな波紋
効率的	効率が低い
微熱	高熱
複雑な回路	簡単な回路
高い静的消費電力	低い静的消費電力