第2回　リニアレギュレータってなに？（前編）

皆さんこんにちは、日清紡マイクロデバイスの講師Sです。第１回では、「電源ICって何？」というテーマで、電源ICがどんなところで使われているのか？電源ICにどんな種類があるのかを”簡単”に紹介しました。
今回は、そのひとつ、電圧レギュレータの中の『リニアレギュレータ』について説明していきたいと思います。
安定した電圧を供給する電圧レギュレータには『リニア方式』と『スイッチング方式』のレギュレータがあることを説明しましたが覚えていますでしょうか？
このリニア方式のレギュレータにはさらに、入力と負荷(※1)の間に可変抵抗器の役割を果たすトランジスタを直列に挿入する『シリーズ方式』と、負荷と並列になるように挿入する『シャント方式』があります。
ただし、シャント方式は用途が限られていますので、この講座では一般的なシリーズ方式のリニアレギュレータについて2回に分けて説明していきたいと思います（以降、『シリーズ方式の』は省略）。

 

リニアレギュレータ

一番単純なレギュレータは3端子レギュレータと呼ばれているもので、入力（V_IN）端子とGND間に電源と入力コンデンサー（C_IN）、出力（V_OUT）端子とGND間に出力コンデンサー（C_OUT）を接続するだけで、出力端子から安定した一定の電圧が出力されます。
では、いったいどのようにして、そのようなことができるのでしょうか？
今回はレギュレータの中身がどのように出来ていて、一定の電圧を出力する仕組みはどうなっているのかを説明していきます。
リニアレギュレータを極めて単純に図示すると図1のようになります。

 
図1は制御回路が出力端子の電圧を監視して、設定された一定の出力電圧が得られるように可変抵抗器の抵抗の大きさを調整していることを示しています。例えば入力電圧(V_IN)が一定であれば、負荷抵抗値と可変抵抗値の比が一定になるように負荷抵抗値の変化の割合に合わせて、可変抵抗値も同じ割合で変化させれば一定の出力電圧(V_OUT)を維持することができます。入力電圧を可変抵抗器と負荷抵抗の2つの抵抗で分圧した電圧を出力する形になりますので、リニアレギュレータは入力電圧より低い電圧しか作り出すことができません。負荷抵抗で流れる電流はそのまま可変抵抗器に流れ、そこで入力から供給される電力が熱として消費されてしまいます。
この関係を表したものが以下の図2のイメージ図になります。例えば入力電圧が5V、出力電圧が2Vのレギュレータは負荷電流が100ｍAの場合、入力側から供給する電力0.5Wのうち、0.3W分をレギュレータ内部で熱として消費してしまっています。
 
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リニアレギュレータの回路構成

では、もう少し中身を詳しく見ていきましょう。リニアレギュレータは基本的に4つの要素（出力ドライバートランジスタ、基準電圧源、帰還抵抗、誤差増幅器）で構成されています。リニアレギュレータの一般的な基本構成を図3に示します。

 
各構成要素は以下の役割を担っています。

 

以上の4つの要素は、レギュレータの内部で負帰還回路を構成しており、出力電圧をR₁、R₂で分圧した帰還電圧V_FBを誤差増幅器で基準電圧源V_REFの電圧と比較して、その電圧差がゼロになるように出力ドライバートランジスタのオン抵抗を制御するという負帰還制御(※2)によって出力電圧を定電圧化しています。
したがって定常状態ではV_REF電圧とV_FB電圧は等しい関係になります。
これらの関係を式で表してみます。
 

 
この式には入力電圧も負荷電流（負荷抵抗）も含まれていません。すなわち定常状態では出力電圧は基準電圧源の電圧と帰還抵抗の抵抗比だけで決まることを示しています。
この式からも基準電圧源（V_REF）はリニアレギュレータの特性を決める要の要素になっていることがわかります。
また、出力電圧はR₁とR₂の比で決まるので抵抗値のばらつきは問題になりません。各半導体チップ中の非常に狭い範囲に抵抗を配置しますので、各チップ中で抵抗比は高精度に作り込むことができます。
では、負荷電流（.負荷抵抗）や入力電圧が変化するとき、レギュレータはどのように出力ドライバートランジスタのオン抵抗を調整して出力電圧を定電圧化しているのでしょうか？
これは出力ドライバーのオン抵抗と出力負荷抵抗の抵抗比で説明することができます。
例えば、基準電圧=1V、帰還抵抗：R₁=R₂、出力電圧2Vのレギュレータを考えます。V_INが5V、負荷抵抗200Ωの場合、レギュレータは出力ドライバーのオン抵抗が300Ωとなるように制御しています。V_IN電圧5Vを出力ドライバーのオン抵抗と負荷抵抗との抵抗比が3:2で分圧できるように制御していると言えます。
 
・負荷電流が変化したときの事例

 
・入力電圧が変化したときの事例

 
リニアレギュレータが負荷電流の変動や入力電圧の変動に対して出力電圧が安定していることを示しましたが、その安定性の度合いを示す特性として、以下の例のように入力安定度、負荷安定度が定義されています。

 
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リニアレギュレータの動作

出力の負荷抵抗値が変化した場合のレギュレータの内部の動きを図4にしたがって順を追ってみてみましょう。

 
負荷抵抗値が下がり、負荷電流が増加するとV_OUT電圧が低下し、同時に帰還抵抗R₁,R₂で分圧した帰還電圧V_FBが低下します。基準電圧源V_REFよりV_FBが低下しますので誤差増幅器の出力電圧が低下し、それがドライバーのオン抵抗を下げることになります。負荷電流の増加に合せてドライバーのオン抵抗が下がるのでV_OUT電圧がもとの設定電圧に復帰します。V_OUT電圧が設定電圧に復帰することでV_FB電圧はV_REF電圧と一致します。
逆に負荷電流が減少するとV_OUT電圧、V_FB電圧が上昇しますので誤差増幅器の出力は上昇しドライバーのオン抵抗を上げることになります。負荷電流の減少に合せてドライバーのオン抵抗が上がるので、V_OUT電圧はもとの設定電圧に復帰します。
 

LDOとは

 
さて、リニアレギュレータの中にはLDOレギュレータとして区別されるものがあります。『LDO』はLow Drop Outの頭文字3文字の略語ですが、どのようなものでしょうか。
リニアレギュレータにはその特性として『ドロップアウト電圧』（V_DIF）が定義されています。ドロップアウトには逸脱するという意味があり、『ドロップアウト電圧』はリニアレギュレータの出力が正常な電圧（設定電圧）から逸脱しないために必要な入出力電圧差(※3)（入力電圧と出力電圧の電圧差）の最小値のことを示しています。記号はV_DIFです。入出力電圧差がドロップアウト電圧より小さくなると出力電圧が正常な電圧を維持できずドロップしてしまいます。
例えばリニアレギュレータの入力側の電源が電池の場合を考えてみます。リニアレギュレータへの入力電圧は設定電圧に対してドロップアウト電圧分だけ高ければ正常な電圧を出力できますのでドロップアウト電圧が小さいレギュレータを使えばその分電池寿命を延ばすことができることになります。
またリニアレギュレータの入力側の電源をDC/DCコンバータから供給する場合を考えます。DC/DCコンバータの出力設定電圧はリニアレギュレータの設定電圧に対してドロップアウト電圧分より少し高めに設定します。ドロップアウト電圧V_DIFが0.4Vと0.2Vのリニアレギュレータを比較すると、ドロップアウト電圧が0.2Vの方が無効となる電力損失が半分になります。ドロップアウト電圧が小さいレギュレータを使えば無効となる電力損失を減らすことができます。
※DC/DCコンバータの設定電圧がそのままでV_DIF=0.4VからV_DIF=0.2Vのリニアレギュレータに置き換えても損失を減らすことはできません。
このような利点からドロップアウト電圧が小さいリニアレギュレータのことを特にLDO(Low DropOut)レギュレータと呼んで区別しています。しかしLDOレギュレータに分類するための標準的な定義はなく、各社各様に決めているようです。そのためリニアレギュレータ全般のことを『LDO』と簡略化して表現する場合が多々あります。
 

『ドロップアウト電圧（入出力電圧差）』と出力電流

 
『ドロップアウト電圧』は特定の出力条件の下で規定されています。
図6の例ではドロップアウト電圧は出力電流150mAの条件で規定されています。先に、ドライバートランジスタは可変抵抗器と説明しました。ドライバーを抵抗器としてオームの法則でドロップアウト電圧と出力電流の関係を考えてみます。
例ではドロップアウト電圧の規格のワースト値は0.23V、そのときの出力電流の条件は0.15Aです。このときのドライバーの抵抗はオームの法則から
R=V/I=0.23/0.15=1.53Ω
と計算されます。
すなわち、この規格はドライバーの抵抗が1.53Ωより小さくなることができないことを示しています。この抵抗値をもとに入出力電圧差を0.1Vにした場合に流せる電流を計算してみます。すると
I=V/R=0.1/1.53=0.0652A
すなわち、入力電圧3.1Vでは出力電圧3.0Vを維持するためには65mA以上の電流は流せないことを示しています。逆に入力電圧が3.1Vで150mAの出力電流を流すと出力電圧は入力電圧より0.23V低い電圧、設定電圧3.0Vより0.13V低下した2.87Vになることを意味しています。
これを入力電圧と出力電圧を示すグラフで表すと、図7のようになります。
 

 
前記の計算ではドライバーのオン抵抗を半分にすれば流せる電流を2倍にすることができますので、ドライバートランジスタをもう一個並列につなげればよいということになります。
図8にLDOのチップ写真を示しますが、チップのほとんどの領域はドライバーで占有されています。
出力電流を2倍流せるようにするため、あるいはドロップアウト電圧を半分にするためには、ドライバートランジスタを2個並列化して抵抗値を下げる必要があります。
ドライバーを2個並列に並べてドライバー面積が2倍になると、チップ面積も2倍になるので、チップのコストが約2倍となり価格アップになってしまいます。レギュレータの特性と価格の折り合いをつける必要があります。
 

おわりに

今回は、リニアレギュレータが入力電圧や負荷電流（負荷抵抗）が変動しても安定した一定の電圧を出力するメカニズムを説明しました。
そのメカニズムは、出力電圧を監視して、入力電圧や負荷電流（負荷抵抗）の変動によって出力電圧が設定電圧からずれた場合、そのずれが元に戻るように出力ドライバーのオン抵抗を調整するという負帰還制御によって定電圧化を実現しているというものでした。
また、出力電圧の安定性を示す特性として入力安定度、負荷安定度、出力電圧が一定の電圧を維持するために必要なドロップアウト電圧を紹介しました。
これらは、時間に依存しない特性を持っています。
次回は時間に依存する特性、出力を定電圧化するために出力ドライバートランジスタで消費される電力には許容限界があること、入力コンデンサーと出力コンデンサーの役割、その他についてお話ししたいと思います。
 
最後まで読んでいただき、ありがとうございました。
 

執筆者プロフィール 講師S　（日清紡マイクロデバイス株式会社　設計センター　設計技術部） 入社以来長期に渡り、ゲートアレイ・マイコン・メモリ・電源ICなどアナログ・デジタルの各種設計に携わる。その後、複合電源ICのテスト技術も極める～設計・テスティングとその教育のスペシャリスト。毎年入社してくる技術者の卵に対する、聞き手目線の優しい解説と丁寧な指導は社内でも有名。その実績を買われ、現在はシニアエンジニアとして後進の育成や新規技術の相談役として活躍中。 日清紡マイクロデバイス株式会社について 世界に先駆けて製品化を実現したCMOSアナログ技術をコアとして、携帯機器市場向けには小型・低消費電力の電源ICを、車載・産機市場向けには高耐圧・大電流・高性能を特長とした電源ICを、Liイオンバッテリ市場向けには小型で高精度な保護ICを提供し、お客様製品の付加価値向上に貢献しています。 日清紡マイクロデバイス公式サイトはこちら