電源回路

長所と短所

長所:
  ✓ ノイズが少なく、リップルが小さい
  ✓ 過渡応答が速い
  ✓ 回路が単純 (周辺部品が少ない)
  ✓ EMIの問題がない

短所:
  ✗ 効率が低い: η ≈ Vout/Vin
    例: 12V→5V η=42% (58%が熱になる!)
  ✗ 降圧のみ可能
  ✗ 大きな電圧差/大電流時に発熱が激しい

LDO (Low Dropout)

標準的なリニアレギュレータでは Vin - Vout > 2~3V が必要
LDOでは Vin - Vout < 0.5V (場合によっては100mV!) が可能

調整素子にPNPまたはP-MOSFETを使用 → 電圧差は Vce(sat) または I×Rds(on) のみ

選定ガイド:
  電圧差の要件 > 1V → 78xxシリーズ (7805, 7812... 安価)
  電圧差の要件 < 0.5V → LDO (AMS1117, LP2985...)

典型チップ

スイッチングレギュレータ (Switching Regulator)

基本原理

スイッチ素子がON/OFFを繰り返す → エネルギー蓄積素子 (L, C) がエネルギーを平滑化 → 出力

    Vin ──[スイッチ]──[L]─── Vout
              │     │
            [PWM]  [C]
                    │
                   GND

PWM: パルス幅変調 → デューティ比 D を調整して出力を安定化
周波数: 典型 100kHz ~ 2MHz

リニア電源との比較

3つの基本トポロジ

Buck (降圧)

              ┌── L ──┬── Vout
              │       │
Vin ──[SW]───┤       ┌┴┐
              │       │C│
              └──▸├──┴┬┘
                      │
                     GND

SW ON:  L が充電、C が負荷に供給
SW OFF: L がダイオードを介して継流

Vout = D × Vin  (D = Ton/T)
D < 1 → Vout < Vin

Boost (昇圧)

       ┌── L ──┬──▸├── Vout
       │       │       │
Vin ──┤       [SW]    ┌┴┐
       │       │       │C│
       └───────┴───────┴┬┘
                        │
                       GND

SW ON:  L がエネルギーを蓄積
SW OFF: L の誘起電圧が Vin に重畳 → Vout > Vin

Vout = Vin / (1-D)

Buck-Boost (昇降圧)

Vout = -Vin × D/(1-D)  (反相出力)

入力より高いまたは低い電圧を出力可能 (極性が反転)

実際の設計上のポイント

入力/出力コンデンサ

入力: 大容量電解コンデンサ + 高周波セラミック (0.1μF)
      電解コンデンサが低周波リップルを処理、セラミックが高周波スパイクを処理

出力: リップル要件に応じて選択
      ΔV = ΔI/(8×f×C) + ΔI×ESR  (Buck)

インダクタの選定

Buck:
  L = (Vin-Vout)×D / (ΔI×f)
  ΔI は Iout の 0.2~0.4 程度を推奨
  Isat > Iout + ΔI/2  (ピーク電流)

パターンレイアウトのポイント

1. スイッチングループの面積を最小化!
   (Vin → SW → L → Cout → GND のループが小さいほど、EMIが低減)

2. フィードバック配線はインダクタやスイッチングノードから遠ざける

3. 入力コンデンサはICのピンに近接して配置

4. GNDは銅箔を敷き、単点接地または完全なグランドプレーンを使用

保護機能

主要チップ早見表

キーワード: リニアレギュレーション, LDO, スイッチング電源, Buck, Boost, PWM, 効率, リップル, EMI