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理想と現実のLDO

著者:  Marek Bek  - 01-18-2018 

電圧レギュレータは、徐々に放電するバッテリや整流交流電圧など、不安定な電源または可変電源から安定した供給電圧を確保するために不可欠です。リニアレギュレータは、スイッチング・レギュレータにより発生するノイズまたは残存ACリップルに敏感なアプリケーションにおいて、システム全体のエラーや不正確性を最小限に抑えるために使用されます。これらのアプリケーションは、RFトランシーバ、Wi-Fiモジュール、光学イメージセンサなど多岐に亘ります。

リニア電圧レギュレータは、入力と出力のわずかな電圧差で動作でき、一般的に低ドロップアウト(LDO)レギュレータと呼ばれます。その基本的な機能は、出力電流、入力電圧、熱ドリフト、寿命(劣化)における変化に関わらず、一定の出力電圧を維持することです。このような状態は理想的ですが、実世界の状況は多少異なります。LDO出力電圧は、絶対的に安定というわけではなく、主に下記のような動作機能に影響を及ぼします。

a)  負荷電流が急速に変化すると、有限の制御ループ速度により、出力電圧の変化を起こす可能性があります。内部調整ループが電流の急速な変化(時間の遅延による)に対応できず、通常数十ミリボルト(mV)のアンダーシュート/オーバーュートが生じる場合があります。

1:急速な負荷変化に対する動的な負荷応答

b)  入力電圧の急速な変化(通常はDC/DCコンバータの出力電圧リップルによる)は、制御ループにより完全に取り除くことができないため、入力電圧の変化は部分的に出力電圧に反映されます。このパラメータは、電源電圧変動除去比(Power Supply Rejection Ratio、PSRR)と呼ばれ、通常は周波数に依存します。PSRRは、メーカーによって正数または負数で示されています。一般的に、絶対的なPSRR の値が高いほど、入力から出力への干渉信号の伝達は小さくなります。通常、入力破壊電圧は、ミリボルト(mV)以下の単位で出力へ伝達されます。同様に、ライン過渡応答と呼ばれる入力電圧の急速な変化は、LDO出力で発生する可能性があります。

2電源のリップル除去特性

C)  半導体は構造上、主に遊離原子と基盤材の結晶構造との衝突により固有のノイズを発生します。ノイズを抑える方法はありますが、完全に除去することはできません。というのは、これは半導体における電流電導の原理に伴う物理的な現象だからです。最新のcDOの出力ノイズは、数百マイクロボルト(μV)以下の値になる可能性がありますが、トップクラスのLDOが生み出すノイズはμV単位です。

3ノイズ密度スペクトル

d)  他の影響として、入力電圧の緩やかな変化とそれによるライン・レギュレーションに対する影響、負荷電流の緩やかな変化とそれによる負荷レギュレーション、熱係数、および長期的な安定性に対する影響があります。

現実世界では、これらすべての影響その寄与をすべて加算しなければならないため、出力電圧の安定性と精度が向上します。この理由により、特定のアプリケーションに不可欠な上記の現象を慎重に考量する必要があります。たとえば、最高の画質が求められるカメラ・アプリケーションの場合、負荷電流の変化に対するLDOの動的応答は最も重要です。ノイズ値が100mVrms未満で、PSRRの値が平均(50dB超)の場合、画質への影響は、ごくわずかです。

 

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