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DCスイッチング・レギュレータとリニアレギュレータの比較

2020年12月8日、Ron Stull著 - 9分の閲読

DCスイッチング・レギュレータとリニアレギュレータの比較

電子システムでは、多くの場合、さまざまな内部回路への給電に複数の電圧が必要になります。非絶縁型レギュレータは、ある電圧を別の電圧に変換する一般的で簡単な方法です。レギュレータは通常、変換方法によってリニアかスイッチングの2つのカテゴリーに分類されます。リニアレギュレータは、長い間使用されてきており、安価で簡単に使えます。しかし、このシンプルさは低効率というデメリットも伴います。一方、スイッチングレギュレータは、やや高価で内部がすこし複雑になりますが、効率がかなり上がり、大量の電流を伝導でき、リニアレギュレータと同じような熱に関する懸念は心配ありません。このブログでは、この2つのレギュレータで効率がなぜそれほど異なるのか、また、最終的な設計にどのような影響があるかについて調査していきます。

リニアレギュレータ スイッチング・レギュレータ
シンプルな設計 複雑な設計
超過電力は散逸 超過電力を貯める
低効率 高効率
高い熱的ストレス 低い熱的ストレス

リニアレギュレータ

リニアレギュレータの機能方法とこれが非効率である理由を説明するには、まずはアプリケーション例から説明します(図1)。このケースでは、1Aの負荷で6V出力へと変換する24V入力があります。

リニアレギュレータ回路の簡易図
図1:シンプルなリニアレギュレータ回路

図1を見ると、入力と出力の間には、パス要素とも呼ばれるトランジスタ(Q1)しか存在しないことが分かります。これは、トランジスタ(Q1)の電圧が入力と出力の差であることを意味します。

式1

これを書き直して、出力電圧を解決することができます。

式2

このことから、Voutは、このトランジスタの電圧を制御することで制御されていることがわかります。Q1の制御は、オペアンプ、U1、ネガティブフィードバックを使用しておこなわれます。U1はVoutを感知し、リファレンスと比較します。Voutがリファレンスより大きい場合、Q1の駆動が下がり電圧が増加します。これにより、Voutが減少します。Voutが低すぎる場合は、Q1はQ1全体の電圧降下を下げるためにさらに駆動を増し、Voutが上昇します。

リニアレギュレータ効率

リニアレギュレータがなぜそれほど非効率なのかを理解するには、負荷電流経路を調べる必要があります。オペアンプU1は高いインピーダンス入力を持ち、トランジスタのベースのみを駆動することから、入出力する電流はないと仮定します。オペアンプを取り外すと、入力から出力への直接的な経路のみが残り、入力電流が出力電流と等しくなります。

この情報を使用すると、リニアレギュレータの効率と散逸される電力を計算できます。入力側の電力は、VinとIinの積に等しくなります。

式3

出力側の電力は、IoutのVout時間に相当します。

式4

また、効率はPoutをPinで割ったものに相当します。

式5

この結果、出力側の電力から入力側の電力を引いたものが散逸電力となります。

式6

6Wのみの負荷の場合、リニアレギュレータは18Wの電力を散逸します。これは、ヒートシンクや空冷のないこのような小さなパッケージでは、非常に大きな散逸電力です。TO-220パッケージのリニアレギュレータの標準的な熱インピーダンスは20°C/Wです。温度管理がおこなわれなければ、接合部から周囲へ360°Cの温度上昇が発生することになります。

式7

ここでヒートシンクや空冷など熱インピーダンスを低減する手段を講じなければ、問題が発生することは明らかです。ヒートシンクと空冷を追加すれば、システムのサイズ、コスト、複雑さが増加し、リニアレギュレータを使用するメリットの多く(コストや複雑さ)が否定されてしまいます。現在の例では、空冷だけでなくヒートシンクが必要になる場合があります。

さらに、入力電流と出力電流が等しければ、効率の計算はVoutをVinで割るだけというシンプルなものになるのも注目点です。

式8

このことから、入力と出力の差が大きいほど、効率が下がり(図2)、レギュレータ内でより多くの電力が散逸されるということがわかります。入力電圧と出力電圧の比が大きくなると、リニアレギュレータは望ましい選択肢とは言えなくなります。

6V出力のリニアレギュレータの効率と入力電圧を示したグラフ
図2:6V出力のリニアレギュレータの効率と入力電圧

スイッチング・レギュレータ

スイッチングレギュレータは、リニアレギュレータとは大きく異なります。最も大きな違いは、トランジスタの制御方法です。図3は、シンプルな降圧レギュレータを示しています。降圧レギュレータは、前例にあるリニアレギュレータと同じ機能、入力電圧よりも低い出力電圧を生成するスイッチングレギュレータです。

降圧スイッチングレギュレータの回路図
図3:降圧スイッチングレギュレータの基本回路図

この回路は、リニアレギュレータと多くの点で類似しています。最も大きな物理的な違いは、出力側のダイオードとL-Cフィルタです。リニアレギュレータと同様、スイッチングレギュレータはオペアンプとネガティブフィードバックを使用してトランジスタを制御します。

最初の大きな違い、そしてスイッチングレギュレータのその名の由来ともなっているのは、トランジスタが完全にオン(理想的には短絡)または完全にオフ(理想的にはオープン回路)のいずれかで駆動することです。トランジスタが完全にオンの状態からオフの状態の間でリニアに制御されるリニアレギュレータと比較してみてください。このトランジスタは、高周波でオン/オフに切り替わり、Q1、D1、L1を接続するノードで方形波を生成します。これをスイッチ・ノードと呼びます(図4)。

スイッチノード電圧波形の図
図4:スイッチノード電圧波形

出力電圧は、スイッチノード電圧の平均値を制御することで調整されます。固定周波数動作の場合、平均値はスイッチがオンになった時間を期間で割り、入力電圧で乗算した値と等しくなります。

式9

オン時間対期間の比率はデューティ比と呼ばれ、降圧レギュレータでは、出力電圧対入力電圧の比と等しくなります。この例では、24V入力を6V出力に変換するデューティ比が25%になります。

式10

スイッチノードのこの方形波は、スイッチノードと出力の間のL-Cネットワークにフィードされます。L-Cネットワークはローパスフィルタで、スイッチノードの平均またはDC値のみが出力に渡されます。したがって、デューティ比、ひいてはスイッチノードの平均電圧を制御することによって、スイッチングコンバータは出力電圧を制御できます。このプロセスは、パルス幅変調(PWM)と呼ばれます。

スイッチングレギュレータの効率

この回路がなぜリニア回路よりも効率的であるかを知るには、リニアレギュレータの例と同じ条件下で、スイッチングレギュレータをオンとオフ両方の状態で見ることができます。

オン状態では、トランジスタは完全にオンで駆動し、これは短絡を表します。この場合、電流は入力側から出力側に流れますが、電流が流れているとき、トランジスタの電圧はゼロであることからトランジスタ内の損失は0Wです。この電流経路のその他の要素(インダクタ、コンデンサ、ダイオード)はすべて、理想的には損失がないため、オン時間の間は電力は散逸されません。

オン時の降圧レギュレータの図
図5:オン時の高圧レギュレータ
式11

オフ状態では、トランジスタは完全にオフで、これはオープン回路を表します。この場合、トランジスタ全体の電圧は入力電圧と等しくなりますが、オープン回路になっているため電流は流れません。この状態でのトランジスタの散逸電力は0Wです。そしてここでも同様に、その他の部品も損失なしと見なされます。

オフ時の降圧レギュレータの図
図6:オフ時の高圧レギュレータ
式12

このことは、オンとオフ両方の状態で、スイッチングレギュレータでは理想的には電力一切散逸しないことを示しています。効率の上限が100%であるのに対し、リニアレギュレータでは上限がVout/Vinと等しくなるということです。

効率については、オン時の入力電力は入力電圧と出力電流の積に等しく、これはつまりリニアレギュレータと同じという別の見方もできます。ただし、オフ時の間は入力側から電流は流れないため、入力電力は0Wになります。1回のスイッチングサイクルにおけるレギュレータへの平均電力量は、オン時の間の入力電力にスイッチがオンしている時間の平均量をかけたもので、これがデューティ比です。また、降圧の場合、デューティ比は入力電圧に対する出力電圧の比と等しくなるため、次の式では入力電力が出力電力と等しくなり、効率は100%となります。

式13

実際は、降圧レギュレータのインダクタ、コンデンサ、ダイオードは理想的には動作せず、すべて効率を低下させる損失が生じます。また、トランジスタも理想的な動作はせず、オン状態の抵抗による損失とスイッチングによる損失も生じます。したがって、スイッチングレギュレータの効率は、選択したコンポーネントと動作条件に依存します。一方、リニアレギュレータの効率は、選択したコンポーネントからは独立しており、入力電圧と出力電圧の条件のみに依存します。

低効率の実践的な意味合い

先に述べたように、効率が悪いにもかかわらずリニアレギュレータが人気を博している主な理由の1つは、そのコストの安さ、シンプルさ、そして使いやすさにあります。しかし、これらのメリットに反して、上述のように、効率の低さやそれに関連する熱の問題によって、ヒートシンクの装着や空冷が必要となる可能性があります。スイッチングレギュレータは効率的な代替手段であり、たとえコストがかかり複雑なものであっても、高価でかさばる温度管理デバイスの必要性を減らすことで、システムとしてのコストや複雑さが低減されます。例にある条件でどれだけの温度管理が必要なのかを実感するために、図6では、CUIの在庫品スイッチングレギュレータと同じ動作温度範囲を可能にするヒートシンクとリニアレギュレータを比較しています。

リニアレギュレータにヒートシンクを内蔵した場合のサイズ比較図
図7:リニアレギュレータにヒートシンクを内蔵した場合のサイズ比較

従来のリニアレギュレータを使用するアプリケーションでスイッチングレギュレータの簡単に採用するために、CUIでは、TO-220パッケージを採用した従来の7800シリーズリニアレギュレータと同じピン配置とフォームファクタで設計された、スイッチングレギュレータシリーズを複数提供しています。これらのレギュレータは、最大で94%の効率を実現し、周囲温度が65°C(149°F)を超える場合でも、温度管理を必要とせずに最大36V、最小3.3Vの出力で動作することができます。

P78E15-1000スイッチングレギュレータ効率と出力電流を示すグラフ
図8:P78E15-1000 スイッチングレギュレータの効率と出力電流

動画デモ

「CUI in the Lab」のビデオで、スイッチングレギュレータとリニアレギュレータの比較をご覧ください。

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結論

リニアレギュレータは、非絶縁型電圧変換のための実証済みの真のソリューションです。ただし、高い電流を流したり、高い入力/出力比で動作させる場合は、本来の性質である低効率が大きな問題になる可能性があります。スイッチングレギュレータは、非常に効率的な代替手段となります。スイッチングレギュレータは内部構造がより複雑となり、馴染みのないユーザーにとっては不安が伴うかもしれませんが、CUI Incでは、従来のリニアレギュレータと同じように使いやすく、さまざまな電流定格、パッケージを備えた幅広いスイッチングレギュレータを提供しています。

カテゴリ: 基礎製品の選択

その他のリソース


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Ron Stull

Ron Stull

電力システムエンジニア

Ron Stullは2009年にCUIに参入して以来、アナログおよびデジタル電源、そしてAC-DCおよびDC-DC電力変換の分野で知識と経験を積み重ねてきました。彼はこれまで、アプリケーションサポート、テスト、検証、設計などの責任者としてCUIのエンジニアリングチームで重要な役割を担ってきました。Ronは、電力エンジニアリング以外では、ギターを弾いたり、ランニングをしたり、アメリカの国立公園をすべて訪れることを目標に妻とアウトドアを楽しんでいます。

 
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