【LDOとは？】『原理』や『効率』などを分かりやすく解説！

この記事では『LDO』について

LDOとは？
LDOの『ドロップアウト電圧』
LDOの『式』と『動作原理』
LDOの『効率』

などを図を用いて分かりやすく説明するように心掛けています。ご参考になれば幸いです。

LDOとは

LDOは『Low Drop Out』の略であり、ドロップアウト電圧(Drop Out Voltage)が小さいシリーズレギュレータです。

シリーズレギュレータにはドロップアウト電圧\(V_{DO}\)という特性があります。ドロップアウト電圧とは、安定化動作可能な入出力電圧差(入力電圧\(V_{IN}\)と出力電圧\(V_{OUT}\)の電圧差)の最小値となります。例えば、出力電圧\(V_{OUT}\)が3.3V、ドロップアウト電圧\(V_{DO}\)が2Vの場合、安定化動作可能な入力電圧\(V_{IN}\)は5.3Vまでとなります。

入出力電圧差がドロップアウト電圧\(V_{DO}\)より小さくなると、出力電圧\(V_{OUT}\)は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、入力電圧\(V_{IN}=7{\mathrm{V}}\)、出力電圧\(V_{OUT}=3.3{\mathrm{V}}\)に設定している回路において、上図のように入力電圧\(V_{IN}\)が4Vに低下した場合を考えてみましょう。通常のシリーズレギュレータのドロップアウト電圧\(V_{DO}\)を2V、LDOのドロップアウト電圧\(V_{DO}\)を0.5Vと仮定します。

通常のシリーズレギュレータでは、入力電圧\(V_{IN}\)は『出力電圧\(V_{OUT}\)+\(V_{DO}\)=出力電圧\(V_{OUT}\)+2V』を確保しなければならないため、入力電圧\(V_{IN}\)が4Vに低下すると、出力電圧\(V_{OUT}\)は4Vから\(V_{DO}\)を引いた電圧(2V程度)まで低下してしまいます。

一方、LDOでは、入力電圧\(V_{IN}\)は『出力電圧\(V_{OUT}\)+\(V_{DO}\)=出力電圧\(V_{OUT}\)+0.5V』を確保すればよいので、入力電圧\(V_{IN}\)が4Vに低下しても、出力電圧\(V_{OUT}\)は3.3Vを維持することができます。すなわち、LDOは入力電圧変動の影響を受けにくい回路となります。

補足

ドロップアウト電圧の記号は\(V_{DO}\)や\(V_{DROP}\)や\(V_{DIF}\)で表します。
LDOは『LDOレギュレータ』や『低損失レギュレータ』や『高効率レギュレータ』と呼ばれることもあります。
一般的に、ドロップアウト電圧\(V_{DO}\)が1V程度より小さいシリーズレギュレータをLDOを呼ぶことが多いですが、LDOに分類するための明確な定義はありません。各社各様に決めているようです。そのため、シリーズ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もあります。

LDOの『ドロップアウト電圧』

LDOは制御素子に『PNP型バイポーラトランジスタ』や『Pチャネル型MOSFET』を用いることで、ドロップアウト電圧\(V_{DO}\)を0.5V以下にすることが可能となります。

一方、標準のシリーズレギュレータは制御素子に『NPN型バイポーラトランジスタ』を用いており、ドロップアウト電圧\(V_{DO}\)は2V程度となります。

補足：LDOが作られた理由

LDOは3.3V電源のICが出てきた頃に一般的になりました。

入力電圧\(V_{IN}=12{\mathrm{V}}\)から出力電圧\(V_{OUT}=5{\mathrm{V}}\)に変換する仕様が多かった頃は入出力電圧差が7Vなので、ドロップアウト電圧\(V_{DO}\)が大きくてもよく、標準のシリーズレギュレータ(\(V_{DO}=2{\mathrm{V}}\)程度)を使用しても問題ありませんでした。

しかし、3.3V電源のICが出てくると、入力電圧\(V_{IN}=5{\mathrm{V}}\)から出力電圧\(V_{OUT}=3.3{\mathrm{V}}\)に変換することが必要になる場合がありますが、標準のシリーズレギュレータはドロップアウト電圧\(V_{DO}\)は2V程度であり、5Vから3.3Vを作ることができないため、ドロップアウト電圧\(V_{DO}\)が小さいLDOが作られました。

LDOのドロップアウト電圧が低い理由

LDOは制御素子に『PNP型バイポーラトランジスタ』の場合は飽和領域、『Pチャネル型MOSFET』の場合は線形領域で用いているので、制御素子にかかる電圧を低くすることができます。そのため、ドロップアウト電圧\(V_{DO}\)を低くすることができます。

LDOの『式』と『動作原理』

一例として上図にPNPトランジスタ\(Q_1\)、エラーアンプ(誤差検出用のオペアンプ)、基準電圧源\(V_{REF}\)、抵抗\(R_1\),\(R_2\)で構成されたLDOを示しています。なお、PNPトランジスタではなく、Pチャネル型MOSFETも使用できます。

上図に示しているLDOの『出力電圧\(V_{OUT}\)と入力電流\(I_{IN}\)の式』と『動作原理』についてこれから説明します。

LDOの『出力電圧\(V_{OUT}\)と入力電流\(I_{IN}\)の式』

上図に示しているLDOの出力電圧\(V_{OUT}\)と入力電流\(I_{IN}\)は次式で表されます。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_{REF}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)+I_{BIAS}R_1\\
\\
I_{IN}&=&I_{OUT}
\end{eqnarray}

上式で重要なのは、出力電圧\(V_{OUT}\)の式に入力電圧\(V_{IN}\)が入っていないことです。出力電圧\(V_{OUT}\)は基準電圧\(V_{REF}\)と抵抗\(R_1\),\(R_2\)とオペアンプの非反転入力端子("+"の端子)に流れる電流\(I_{BIAS}\)(←入力バイアス電流と呼ばれています)によって決まります。なお、PNPトランジスタに流れるベース電流\(I_B\)は非常に小さいので無視しています。

出力電圧\(V_{OUT}\)は下記のように導出しています。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_{REF}+R_1の電圧降下\\
\\
&=&V_{REF}+R_1\left(\frac{V_{REF}}{R_2}+I_{BIAS}\right)\\
\\
&=&V_{REF}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)+I_{BIAS}R_1
\end{eqnarray}

ここで、オペアンプの反転入力端子に流れる電流\(I_{BIAS}\)は非常に小さいので、\(I_{BIAS}R_1\)を省略すると、出力電圧\(V_{OUT}\)は次式となります。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_{REF}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)
\end{eqnarray}

上式は下記のように分圧を用いても求めることができます。

\begin{eqnarray}
&&V_{OUT}：V_{REF}=R_1+R_2：R_2\\
\\
{\Leftrightarrow}&&V_{OUT}=V_{REF}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)
\end{eqnarray}

LDOの『動作原理』

上図に示しているLDOにおいて、出力電流\(I_{OUT}\)が『急増した時』と『急減した時』の動作は下記のようになります。

出力電流\(I_{OUT}\)が急増した時

負荷変動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急増すると、出力電圧\(V_{OUT}\)が低下します。その結果、出力電圧を抵抗\(R_1\)および抵抗\(R_2\)で分圧した\(V_1\)の電圧が低下します。電圧\(V_1\)はオペアンプの非反転入力端子("+"の端子)に入力される電圧であり、電圧\(V_1\)が基準電圧\(V_{REF}\)よりも小さくなると、オペアンプの出力端子(トランジスタ\(Q_1\)のベース電圧\(V_B\)が低下します。ベース電圧\(V_B\)が低下すると、ベース電流\(I_B\)が上昇するため、エミッタコレクタ間電圧\(V_{EC}\)が低下します。これによって、出力電圧\(V_{OUT}\)が上昇するので安定します。

出力電流\(I_{OUT}\)が急減した時

負荷変動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急減すると、出力電圧\(V_{OUT}\)が上昇します。その結果、出力電圧を抵抗\(R_1\)および抵抗\(R_2\)で分圧した\(V_1\)の電圧が上昇します。電圧\(V_1\)はオペアンプの非反転入力端子("+"の端子)に入力される電圧であり、電圧\(V_1\)が基準電圧\(V_{REF}\)よりも大きくなると、オペアンプの出力端子(トランジスタ\(Q_1\)のベース電圧\(V_B\)が上昇します。ベース電圧\(V_B\)が上昇すると、ベース電流\(I_B\)が低下するため、エミッタコレクタ間電圧\(V_{EC}\)が上昇します。これによって、出力電圧\(V_{OUT}\)が低下するので安定します。

LDOの『効率』

上図に示しているのはPNPトランジスタ\(Q_1\)、エラーアンプ(誤差検出用のオペアンプ)、基準電圧源\(V_{REF}\)、抵抗\(R_1\),\(R_2\)で構成されたLDOです。

『\(I_{IN}=I_{OUT}\)』とすると、LDOの効率\({\eta}\)は入力電力\(P_{IN}\)と出力電力\(P_{OUT}\)の割合なので、次式で表されます。

\begin{eqnarray}
{\eta}&=&\frac{P_{OUT}}{P_{IN}}×100\\
\\
&=&\frac{V_{OUT}×I_{OUT}}{V_{IN}×I_{IN}}×100\\
\\
&=&\frac{V_{OUT}×I_{OUT}}{V_{IN}×I_{OUT}}×100\\
\\
&=&\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}×100{\mathrm{[{\%}]}}\\
\end{eqnarray}

ここで、一例として、出力電圧\(V_{OUT}\)が3.3V、出力電流\(I_{OUT}\)が1.0AのLDOにおいて、入力電圧\(V_{IN}\)が24V,12V,5V,5V,3.8Vの時で効率\({\eta}\)がどのようになるか計算してみましょう。

入力電圧\(V_{IN}\)が24Vの時

\begin{eqnarray}
{\eta}&=&\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}×100=\frac{3.3}{24}×100=13.75{\mathrm{[{\%}]}}
\end{eqnarray}

入力電圧\(V_{IN}\)が12Vの時

\begin{eqnarray}
{\eta}&=&\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}×100=\frac{3.3}{12}×100=27.5{\mathrm{[{\%}]}}
\end{eqnarray}

入力電圧\(V_{IN}\)が5.3Vの時

\begin{eqnarray}
{\eta}&=&\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}×100=\frac{3.3}{5.3}×100=62.26{\mathrm{[{\%}]}}
\end{eqnarray}

入力電圧\(V_{IN}\)が5Vの時

\begin{eqnarray}
{\eta}&=&\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}×100=\frac{3.3}{5}×100=66{\mathrm{[{\%}]}}
\end{eqnarray}

入力電圧\(V_{IN}\)が3.8Vの時

\begin{eqnarray}
{\eta}&=&\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}×100=\frac{3.3}{3.8}×100=86.84{\mathrm{[{\%}]}}
\end{eqnarray}

このように、LDOは入力電圧\(V_{IN}\)が出力電圧\(V_{OUT}\)に近づくほど、効率\({\eta}\)が上がることが分かります。

入力電圧\(V_{IN}=3.8{\mathrm{V}}\)から出力電圧\(V_{OUT}=3.3{\mathrm{V}}\)に変換する場合の効率\({\eta}\)は約86%となるため、LDOを使っても、スイッチングレギュレータ並みの効率が実現可能になります。一方、標準のシリーズレギュレータを使う場合には、ドロップアウト電圧\(V_{DO}\)が2V程度なので、出力電圧\(V_{OUT}=3.3{\mathrm{V}}\)を実現するには、入力電圧\(V_{IN}=5.3{\mathrm{V}}\)必要であり、この場合、効率\({\eta}\)は約62%になります。

このように、LDOは入出力電圧差が小さい場合、効率\({\eta}\)を高くすることができるため、貢献度は非常に高いものになります。なお、入出力電圧差が大きい場合(例えば、入力電圧\(V_{IN}\)が12V、出力電圧\(V_{OUT}\)が3.3Vの場合など)では、LDOを用いても標準のシリーズレギュレータを用いても効率は変わりません。