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2013年6月 9日 (日)

LDOレギュレターの真相

LDOレギュレターの真相とは

 今回は低飽和型のLDOリニアレギュレターを実際に動かして、波形を観測してみる。 使った IC は NEC のuPC2905HF というちょっと古いIC 。
20130609_173557_2
上図のように電圧をドロップさせるのは PNPのトランジスタを使って、いうならばコレクターエミッター間の抵抗で電圧を落としている訳です。

20130609_171949

ハード的には
そのデーターシートの推奨回路にはちゃんと書いてあります。
  C in   = 0.1 ~ 0.47uF
  Cout = 47uF以上 とです。
 ここの Cout に普通に 0.1uFぐらいを付けてみるとどうでしょう?

Nocu

1)出力コンデンサー Cout = 0.1uF
 右図のように5V出ていますが、10KHzぐらいで発振しています。レベルは 0.5Vぐらいあります。
 これは電流が少ないため、出力トランジスタの抵抗値が大きくなり、出力インピーダンスが高くなってしまっているためです。
 デジタル用の電源だったらあまり問題無く動いてしまうかも知れません。テスターでは5Vが表示されるので問題無いかと思ってしまうのです。
2)電流を 18mA 流すと5v270
 ここに 270Ωをつけて 18mA程度流すと、さらに発振がひどくなります。 ここまでくればどこか動作がおかしくなりますが、まさか電源が発振しているとは思いません。
 増幅段の電源あたりに大きなコンデンサーを付けたりしますが、運良く電源 ICのそばで電解コンを付けたときに止まったりすることもありますが、ちょっと離れた場所でコンデンサーを付けても、レベルは低くなっても発振が止まらないので、そんなケースでは原因究明は困難になります。
3)電流 100mA に増えると5v50
 電流を増やすとさらに大きな振幅で発振します。
電流を流すためトランジスターのコレクターエミッタ間の抵抗が小さくなるため、発振する周波数は 140kHzもの値になっています。
 オーディオ帯域の増幅器でしたら増幅はしないかも知れませんが、信号の上下の部分に発振周波数成分が残っていたりします。
4)10uFの積層セラミックコンデンサーをつける。
 次に対策として 10uF の積層セラミックコンデンサーをつけてみます。5v50_10u 積層セラミックコンデンサーはインピーダンスが低いので、このような高周波の発振には効果的なのでつけてみると、振幅は減りますが発振は止まりません。はじめからこのように高い周波数で発振していたら、周辺の電源をテスタで確認したりするぐらいでは気づかないかも知れません。
 やはり推奨回路のように 47uFぐらい大きくないとだめなのでしょうか?
5)電解コンデンサーの 10uFをつける。
 電解コンデンサーで先ほどと同じ 10uF をつけてみます。すると、右図のようにきれいに発振は止まります。容量値が 10uF と同じなのにどうして、電解コンデンサーでは発振が止まるのでしょうか?5v50_ec10u
それは電解コンデンサーが適度の損失抵抗 ESR を持っているからです。このLDOタイプのリニアレギュレターはコレクタ出力のアンプと同じで、出力に直列抵抗の小さなコンデンサーをつけると高域で帰還回路ループの位相がずれ、その周波数で発振しやすいのです。たとえ容量の大きなコンデンサーでも、直列抵抗がある程度あれば、帰還ループへの悪影響が避けられるのです。
ソフト的には
 LDOのリニアレギュレターを使う場合にはよくデーターシートを読んでください。「低ESRセラコン対応」など謳ってあれば大丈夫ですが、ダメな場合は電解コンを使いましょう。この場合、高性能だからといって OS コンを使ってもダメです。詳しいはなしは、LDOレギュレターのはなしを参照下さい。
<積層セラ対応の LDO でなければ、出力には電解コンをつかうべし>
 電源はいつになっても奥が深いですね。

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