LDO レギュレータ

LDO (Low Dropout Regulator) は、入力電圧から安定した出力電圧を作る電源 IC です。 マイコン、センサ、ADC、無線モジュール、オペアンプなどに 3.3 V や 1.8 V を供給するときによく使います。

電源 IC にはスイッチングレギュレータもあります。 効率だけ見ればスイッチングの方が強いです。 それでも LDO は今でもかなり使われます。

理由は単純で、回路が簡単で、ノイズが少なく、部品点数も少ないからです。 電源回路の「とりあえずこれで安定した電圧を作る」枠です。

LDO とは

LDO はリニアレギュレータの一種です。 入力と出力の間に可変抵抗のように働く素子を入れ、その抵抗値を制御して出力電圧を一定にします。

VIN ---- pass transistor ---- VOUT
              ^
              |
        error amplifier
              ^
              |
        reference + feedback

中身はざっくり次のブロックでできています。

ブロック	役割
基準電圧	温度や電源に強い基準を作る
誤差増幅器	出力電圧と基準電圧を比較する
パストランジスタ	入力から出力へ流す電流を調整する
フィードバック抵抗	出力電圧を分圧して誤差増幅器へ戻す
保護回路	過電流、過熱、逆流などを防ぐ

出力電圧が下がると、誤差増幅器がパストランジスタを強く ON します。 出力電圧が上がると、パストランジスタを弱めます。

負帰還で電圧を一定にしているわけです。 オペアンプの非反転増幅回路とかなり同じ顔をしています。

内部回路の流れ

LDO の内部回路は、電源 IC というより「大電流を流せるオペアンプ回路」として見ると分かりやすいです。

                +------------------+
                |  bandgap ref     |
                |  VREF            |
                +---------+--------+
                          |
                          v
VIN ----+---------- pass transistor ----------+---- VOUT
        |                 ^                   |
        |                 |                   |
        |          +------+-------+           |
        |          | error amp    |<----+     |
        |          +--------------+     |     |
        |                               |     |
        |                         R1    |     |
        |                         |     |     |
        +---- bias / startup      +-----+     |
                                  |           |
                                  R2          |
                                  |           |
                                 GND         Cout

出力電圧を抵抗分圧して、誤差増幅器へ戻します。 誤差増幅器は、その分圧電圧と基準電圧 を比べます。

分圧電圧が低いなら、出力電圧が足りません。 そこでパストランジスタを強く ON して、VOUT へもっと電流を流します。

分圧電圧が高いなら、出力電圧が高すぎます。 パストランジスタを弱くして、VOUT へ流す電流を減らします。

これを高速に繰り返して、出力電圧を一定に保ちます。 基本は負帰還です。 電源 IC も結局フィードバックの塊。

基準電圧

LDO の中心には基準電圧があります。 出力電圧は最終的に、この基準電圧を抵抗比で増幅したものです。

可変出力 LDO なら、だいたい次の式になります。

固定出力 LDO でも、IC の中にこの抵抗分圧が入っているだけです。 3.3 V 固定品なら、内部抵抗で 3.3 V になるように調整されています。

基準電圧には、バンドギャップリファレンスがよく使われます。 半導体の PN 接合の温度特性を組み合わせて、温度が変わってもあまり変わらない電圧を作ります。

PN 接合の は温度が上がると下がります。 一方、異なる電流密度で動かしたトランジスタの は温度が上がると増えます。 この 2 つを足し合わせると、温度変化を打ち消した基準電圧が作れます。

雑に言うと、

です。 この基準電圧のノイズや温度ドリフトが、LDO の出力精度やノイズに効きます。

低ノイズ LDO に NR や BYP ピンがあるのは、この基準電圧のノイズを外付けコンデンサで落とすためです。

誤差増幅器

誤差増幅器は、基準電圧とフィードバック電圧を比較するアンプです。 オペアンプに近いものだと思ってよいです。

VREF ----+
         |\
         | \____ gate/base drive
VFB  ----| /
         |/

このアンプの出力が、パストランジスタのゲートやベースを駆動します。 誤差増幅器のゲインが高いほど、出力電圧の誤差は小さくなります。

ただしゲインを高くし、反応を速くすれば何でも良いわけではありません。 LDO は出力コンデンサ、負荷、パストランジスタ、誤差増幅器を含む大きな負帰還ループです。 位相余裕が足りないと発振します。

ここが LDO のややこしいところです。 外から見ると 3 本足なのに、中ではアナログ制御ループが回っています。 かわいい顔して制御工学。

パストランジスタ

入力から出力へ電流を流す主役がパストランジスタです。 ここで電圧を落とし、熱を出します。

LDO の性能は、このパストランジスタの種類でかなり変わります。

パス素子	特徴
PNP	古典的な LDO で使われる。ベース電流が必要
P-MOS	CMOS LDO で多い。ゲート電流がほぼ不要
N-MOS	低抵抗にしやすいが、ゲートを VIN より高く駆動したい

低ドロップアウトにしやすいのは、出力側に PNP や P-MOS を置く構成です。 PNP なら飽和電圧、P-MOS なら がドロップアウト電圧に効きます。

P-MOS 型 LDO では、ドロップアウト時に P-MOS がほぼ全開になります。 そのときの電圧降下は、

のように見えます。

つまり大電流を流すほど、必要な入力電圧差が増えます。 ドロップアウト電圧が負荷電流で変わる理由です。

N-MOS をパス素子にすると、同じ面積で低い ON 抵抗にしやすいです。 しかしソースが VOUT 側にあるので、ゲートを VOUT より十分高くしないと ON できません。 そのため、チャージポンプでゲート駆動電圧を作る LDO もあります。

LDO と言っても内部方式はいろいろあります。 データシートのブロック図を見ると、だいたい性格が出ます。

フィードバック抵抗

可変出力 LDO では、外付け抵抗で出力電圧を決めます。 固定出力 LDO では、同じものが IC 内部に入っています。

VOUT --- R1 ---+--- R2 --- GND
               |
              FB

FB ピンの電圧が になるように負帰還が動きます。 そのため、

になります。

抵抗値を大きくすると、フィードバック抵抗に流れる電流が減り、消費電流は下がります。 一方で、FB ノードが高インピーダンスになり、ノイズを拾いやすくなります。

抵抗値を小さくするとノイズには強くなりますが、無駄な電流が増えます。 電池駆動では地味に効きます。

また、FB ピンへ入るバイアス電流も誤差になります。 高抵抗にしすぎると、バイアス電流による電圧誤差が無視できなくなります。 ここもデータシートを見ます。

保護回路

LDO には保護回路が入っていることが多いです。 代表的には過電流保護とサーマルシャットダウンです。

過電流保護では、出力電流を監視し、一定以上流れたらパストランジスタを弱めます。 短絡時に無限に電流が流れないようにします。

pass transistor current
        |
 current sense
        |
 limit comparator ----> gate/base control

過電流保護には、単純な電流制限とフォールドバック制限があります。

単純な電流制限では、短絡時にも最大電流付近を流し続けます。 フォールドバック制限では、出力電圧が低い短絡状態では制限電流をさらに下げます。 発熱を減らせますが、重い容量負荷の起動で立ち上がりにくくなることがあります。

サーマルシャットダウンは、チップ温度が上がりすぎたときに出力を止める機能です。 温度が下がると復帰するものが多いです。

ただし、保護回路があるから無理をしてよいわけではありません。 サーマルシャットダウンを常用する設計は負けです。 電源 IC が熱でパカパカ ON/OFF すると、後段のマイコンはだいたい不幸になります。

起動回路

LDO には起動回路も必要です。 基準電圧や誤差増幅器は、自分自身の電源で動きます。 電源投入直後に内部回路がどの状態から立ち上がるかを決めないと、変な安定点に落ちることがあります。

バンドギャップリファレンスには、ゼロ電流でも数式上は安定してしまう点があります。 そこで、電源投入時に少し電流を流して、正しい動作点へ引っ張るスタートアップ回路を入れます。

また、Enable ピン付き LDO では、Enable が Low のときに内部バイアスを止めます。 Enable が High になると、基準電圧、誤差増幅器、パストランジスタ制御が順に立ち上がります。

低消費電力 LDO では、この起動時間が長くなることがあります。 静止電流を削ると内部回路を強く駆動できないからです。 低消費電力と高速起動はだいたいトレードオフです。

三端子レギュレータとの違い

古典的な三端子レギュレータとして 7805 があります。 これは 5 V を作る定番 IC です。

ただし 7805 のような古典的なレギュレータは、入力と出力の差が 2 V ぐらい必要です。 たとえば 5 V を出すなら 7 V 以上を入れたいです。

LDO は、この入力-出力間の必要電圧差が小さいレギュレータです。 名前の通り Low Dropout です。

種類	必要な電圧差の雰囲気
7805 など古典的なもの	2 V 前後
LDO	数十 mV から数百 mV

たとえば 3.7 V のリチウムイオン電池から 3.3 V を作る場合、7805 的なレギュレータでは無理です。 LDO なら、電池電圧が 3.5 V ぐらいまで下がっても 3.3 V を維持できることがあります。

ドロップアウト電圧

LDO で最初に見るべき値はドロップアウト電圧です。 これは、出力電圧を維持するために必要な入力-出力間電圧です。

たとえば、3.3 V 出力の LDO でドロップアウト電圧が 300 mV なら、最低入力電圧はだいたい次です。

ただし、ドロップアウト電圧は負荷電流で変わります。 データシートでは、たとえば 300 mV @ 500 mA のように条件付きで書かれます。

負荷電流が小さいとドロップアウト電圧も小さくなります。 逆に、最大電流付近では大きくなります。

「Dropout 100 mV！」とだけ見て買うと、実は 100 mV @ 10 mA だったりします。 データシートの小さい文字、だいたい大事。

リニアレギュレータの効率

LDO は余った電圧を熱として捨てます。 そのため効率はだいたい次です。

5 V から 3.3 V を作るなら、

約 66 % です。 残りは熱になります。

12 V から 3.3 V を作ると、

約 28 % です。 かなりもったいないです。 こういう場合はスイッチングレギュレータを先に使い、最後に LDO でノイズを落とす構成にします。

発熱

LDO の発熱は次で決まります。

5 V から 3.3 V、200 mA を作るなら、

小さな SOT-23 パッケージでは少し熱くなります。

12 V から 3.3 V、200 mA なら、

これは普通に厳しいです。 小さな LDO では熱で落ちるか壊れます。

データシートには熱抵抗 が載っています。 周囲温度からどれだけ温度が上がるかは、

で見積もれます。

たとえば theta_("JA") = 200 degC/W、消費電力 0.34 W なら、

周囲温度 25 ℃ でもジャンクションは 93 ℃ ぐらいになります。 触ると熱いです。 「動いているから OK」ではなく、熱は見ます。

入出力コンデンサ

LDO には入出力コンデンサが必要です。

VIN ---+--- LDO ---+--- VOUT
       |           |
      Cin         Cout
       |           |
      GND         GND

入力コンデンサは、入力電源のインピーダンスを下げ、LDO の近くで瞬間的な電流を供給します。 出力コンデンサは、負荷変動時の電圧変動を抑え、LDO の制御ループを安定させます。

値はデータシートに従います。 よく見るのは 1 uF、4.7 uF、10 uF などです。

昔の LDO は、出力コンデンサの ESR (Equivalent Series Resistance) が安定性に重要でした。 セラミックコンデンサの ESR が低すぎると発振するものがあります。

最近の LDO はセラミックコンデンサ対応のものが多いですが、それでもデータシートを見ます。 「10 uF つけたのに発振する」みたいなことは普通にあります。 電源、油断するとすぐ発振します。

セラミックコンデンサの DC バイアス

セラミックコンデンサは、印加電圧で容量が減ります。 特に小型の X5R / X7R では効きます。

10 uF と書かれた 0603 のコンデンサが、3.3 V 印加時に実効 4 uF ぐらいになることがあります。 怖い。

LDO のデータシートに「出力に 10 uF 必要」と書いてある場合、実効容量が 10 uF なのか、部品値として 10 uF でよいのかを見ます。 厳しい用途では、容量を大きめにする、電圧定格に余裕を持たせる、サイズを大きくする、などを考えます。

PSRR

PSRR (Power Supply Rejection Ratio) は、入力電源の揺れをどれだけ出力に出さないかを表します。

単位は dB です。 値が大きいほど、入力ノイズをよく抑えます。

たとえば PSRR 60 dB なら、入力の揺れは 1/1000 に抑えられます。 100 mV のリップルが 0.1 mV になる雰囲気です。

ただし PSRR は周波数で変わります。 低周波では高くても、高周波では落ちます。

スイッチングレギュレータの後段に LDO を置いてノイズを減らす場合、スイッチング周波数付近の PSRR を見ます。 データシートの PSRR グラフを見ます。 数字 1 個だけでは足りません。

負荷過渡応答

マイコンや無線モジュールは、急に電流を食います。 スリープから起きる、無線送信する、CPU が走る、LED が点く。 その瞬間、LDO の出力電圧が一時的に下がります。

これを負荷過渡応答と呼びます。

出力コンデンサが小さい、LDO の応答が遅い、配線が長い、負荷が急峻すぎる、という条件で電圧が大きく揺れます。

マイコンが送信の瞬間にリセットする場合、平均電流ではなくピーク電流と過渡応答を見る必要があります。 平均 30 mA だから 100 mA LDO で余裕、と思ったら送信ピークで 300 mA 食う、みたいな話です。

無線モジュール、そういうところある。

静止電流

静止電流、または quiescent current は、LDO 自身が消費する電流です。

電池駆動ではかなり重要です。 センサノードで負荷がスリープ中 1 uA なのに、LDO が 100 uA 食っていたら悲しいです。

用途	静止電流の見方
USB 電源	あまり気にしないことも多い
常時電池駆動	uA 以下を見たい
間欠動作	Enable で切れるかも見る
高精度アナログ	静止電流よりノイズや PSRR を優先

低静止電流 LDO は便利ですが、負荷過渡応答やノイズ特性が弱いこともあります。 全部強い IC はだいたい高いです。

ノイズ

LDO はスイッチングレギュレータよりノイズが少ないですが、ノイズがゼロではありません。 内部基準電圧や誤差増幅器のノイズが出力に乗ります。

ADC、DAC、PLL、RF 回路、低ノイズオペアンプに電源を供給する場合は、出力ノイズを見ます。 単位は uV rms などで書かれます。

ノイズバイパスピンがある LDO もあります。 基準電圧にコンデンサを付けてノイズを下げるためのピンです。

NR/BYP --- C --- GND

このコンデンサを付けるとノイズは下がりますが、起動時間が遅くなることがあります。 電源シーケンスが必要な回路では注意します。

Enable と Power Good

LDO には Enable ピンが付いていることがあります。 Enable を Low にすると出力を止められます。

電池駆動で、使わないセンサの電源を切るときに便利です。

Power Good ピンは、出力電圧が正常範囲に入ったことを示す信号です。 マイコンのリセット制御や電源シーケンスに使います。

LDO Power Good ---- MCU RESET

ただし Power Good はオープンドレイン出力のことが多いので、プルアップ抵抗が必要です。 データシートを見ます。

逆流と逆電圧

出力側に大きなコンデンサや別電源があると、LDO の出力から入力へ電流が逆流することがあります。 入力電源が先に落ちたとき、出力コンデンサが LDO を逆向きに押すわけです。

LDO によっては逆流に弱いです。 データシートに reverse current protection があるか確認します。

入力が落ちる順序が怪しい場合は、出力から入力へダイオードを入れる古典的な対策があります。

VIN ---- LDO ---- VOUT
 |                 |
 +------|<|--------+

ただし、最近の LDO では不要だったり、逆に推奨回路が別だったりします。 電源の落ち方まで含めて見る必要があります。

レイアウト

LDO は簡単な部品ですが、レイアウトは雑にしない方がよいです。

• 入力コンデンサは VIN と GND の近くへ置く
• 出力コンデンサは VOUT と GND の近くへ置く
• GND は太く短く戻す
• 発熱する場合は銅箔面積を取る
• FB ピンがある可変 LDO では、フィードバック配線をノイズ源から離す

可変出力 LDO では、抵抗分圧で出力電圧を決めます。

VOUT --- R1 ---+--- R2 --- GND
               |
              FB

式はだいたい次です。

FB は高インピーダンスなので、長く引き回すとノイズを拾いやすいです。 抵抗は LDO の近くに置きます。

選び方

LDO を選ぶときは、最低限これを見ます。

項目	見る理由
出力電圧	固定 3.3 V か、可変か
最大出力電流	負荷のピーク電流に足りるか
ドロップアウト	最低入力電圧で出力を維持できるか
発熱	パッケージで熱を逃がせるか
入出力コンデンサ	容量、ESR、セラミック対応
静止電流	電池駆動で効く
PSRR	入力ノイズをどれだけ落とせるか
出力ノイズ	ADC / RF / アナログ回路で効く
Enable	電源を切りたいか
保護機能	過電流、過熱、逆流

「3.3 V が出る LDO」だけで選ぶと、熱、安定性、電池寿命で刺さります。 電源 IC は地味ですが、回路全体の信頼性をかなり握っています。

使い分け

LDO とスイッチングレギュレータの使い分けは、だいたい次です。

条件	向いているもの
入出力電圧差が小さい	LDO
電流が小さい	LDO
ノイズを減らしたい	LDO
電圧差が大きい	スイッチングレギュレータ
電流が大きい	スイッチングレギュレータ
効率が重要	スイッチングレギュレータ
スイッチング後のノイズ低減	スイッチング + LDO

たとえば USB 5 V から 3.3 V / 100 mA なら LDO で十分なことが多いです。 12 V から 3.3 V / 500 mA なら、まずスイッチングを考えます。

まとめ

LDO は、低いドロップアウト電圧で安定した電源を作るリニアレギュレータです。

• 入力と出力の差を熱として捨てる
• 発熱は
• ドロップアウト電圧は負荷電流条件込みで見る
• 入出力コンデンサはデータシート通りに選ぶ
• PSRR、ノイズ、静止電流は用途で効く
• 大電流・大電圧差ならスイッチングレギュレータを検討する

LDO は簡単そうに見えて、ちゃんと見る項目が多いです。 でも電源が安定していると、後段の回路が一気に素直になります。 電源、大事。