基準電圧源ICの出力電流を大きくする方法

■問題

【 LTC6654 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，基準電圧源ICの，出力電流能力を拡大するための回路です．使用している基準電圧源IC(LTC6654)の出力電圧は1.25Vで，最大出力電流は10mA，消費電流は350μAとなっています．図1の(a)～(d)の中で，正しく動作し，OUT₁端子の出力電圧が1.25Vになるのはどの回路でしょうか．

図1　基準電圧ICの出力電流能力を拡大するための回路
正しく動作してOUT₁端子の電圧が1.2Vとなるのは？

(a)の回路　(b)の回路　(c)の回路　(d)の回路

■ヒント

　図1の回路は，負荷抵抗(R_L)が25Ωとなっており，OUT₁端子の電圧が1.25Vの場合，R_Lには50mAの電流が流れます．外付けトランジスタでこの電流を供給し，出力電圧を1.25Vとすることができる回路はどれかという観点で考えれば，答えは分かります．

■解答

(d)の回路

　(a)の回路は，電流出力能力はありますが，OUT₁端子の電圧が0.5V程度に低下してしまいます．
　(b)の回路は，Q₁がONすることで，OUT₁端子の電圧がVccとほぼ同じ電圧まで上昇してしまいます．
　(c)の回路は，OUT₁端子の電圧がVcc-0.7Vまで上昇してしまいます．
　(d)の回路は，IN端子に流れ込む電流により，Q₁のベース電圧を制御し，OUT₁端子が1.25Vとなるよう，Q₁のコレクタ電流がコントロールされます．そのため，正しく動作する回路は(d)ということになります．

■解説

●基準電圧源IC
　基準電圧ICは，ADコンバータや電源回路に使用されます．その性能は，アナログ信号をデジタルに変換する精度や，電源回路の出力電圧の精度を左右します．そのため基準電圧ICには，優れた出力電圧精度と温度安定性，低ノイズであることが求められます．また，基準電圧源ICには，シャント型基準電圧ICとシリーズ型基準電圧ICがあります．

▼シャント型基準電圧IC
　シャント型基準電圧ICは，図2のように電源とICを抵抗(R₁)を介して接続します．すると，OUT端子の電圧が一定となるように，ICの消費電流が自動制御されます．抵抗を介して電源と接続するため，電源電圧の制約が少なく，高い電源電圧でも動作させることができます．
　取り出せる出力電流の大きさは，R₁の値で決まりますが，R₁の値を小さくすると，消費電流が増加するため，大きな出力電流が必要な用途には向いていません．

図2　シャント型基準電圧IC
電源とICを抵抗を介して接続する

▼シリーズ型基準電圧IC
　シリーズ型基準電圧ICは，図3のように，3端子レギュレータと同様な使い方ができます．IC内部にある，IN端子とOUT端子間の素子の抵抗値を可変することで，OUT端子の電圧が一定値になるように，制御します．
　シリーズ型基準電圧ICは，小さな消費電流で，比較的大きな出力電流を取り出すことが可能です．今回は，このシリーズ型基準電圧ICについて解説します．

図3　シリーズ型基準電圧IC
3端子レギュレータと同様な使い方をする

●基準電圧源ICの動作を確認する
　図4は，基準電圧源IC(LT6654-1.25)をシミュレーションするための回路です．LT6654には，出力電圧の異なる製品が複数存在します．図4のLT6654-1.25の出力電圧は，1.25Vになります．負荷電流I_Lの値を0mA～50mAまで変化させたときの出力電圧をシミュレーションします．

図4　基準電圧源IC(LT6654 1.25V)をシミュレーションするための回路
負荷電流I_Lの値を0mA～50mAまで変化させたときの出力電圧をシミュレーション．

　図5は，図4のシミュレーション結果です．LT6654-1.25のデータシート上の出力電流最大値は10mAです．10mAを越える電流も出力できますが，出力電流40mAで過電流保護回路が動作します．図5のシミュレーション結果を見ると，負荷電流40mAまでは，出力電圧はほとんど同じですが，40mAを越えると，急激に低下し，過電流保護回路が動作していることが分かります．

図5　基準電圧源IC(LT6654 1.25V)のシミュレーション結果
負荷電流40mAで過電流保護回路が動作していることが分かる．

●基準電圧ICの出力電流能力を拡大する
　LT6654-1.25の出力電流は，基準電圧ICとしては大きいですが，外付けトランジスタを追加すると，さらに大きな電流を出力できるようになります．図6は，LT6654-1.25にPNPトランジスタを追加して，出力電流能力を拡大した回路です．

図6　LT6654-1.25にPNPトランジスタを追加して，出力電流能力を拡大した回路⁽¹⁾
I_OUTが1.4mA以上になると，Q₁が動作を開始し，負荷に電流を供給する．

　R₁にはIN端子の電流I_INが流れます．I_INは，LT6654-1.25の消費電流(I_Q)とOUT₁端子から出力される電流(I_OUT)を足したものです．負荷電流が小さいときは，R₁の電圧降下が小さいため，Q₁のベース・エミッタ間電圧が小さく，Q₁はOFFしています．そのため，I_LとI_OUTは同じ値になります．Q₁がONするベース・エミッタ間電圧を0.7Vとすると，I_Lが増加し，式1のようにI_OUTが1.4mA以上になると，Q₁がONします．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　さらにI_Lが増加すると，I_Lの大部分をQ₁のコレクタ電流(I_Q1)が供給するようになります．ベース電流を無視すると，I_Q1と(I_OUT-1.4m)の比率は，R₂とR₁の比率と同じになります．図6の数値を代入すると，式2のように倍率は76倍になります．しかし実際はベース電流の影響により，これよりも小さい倍率になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　図7は，図6のシミュレーション結果です．上段がQ₁のコレクタ電流とLT6654の出力電流です．負荷電流(I_L)のほとんどは，Q₁が供給していることが分かります．下段が出力電圧ですが，I_Lが200mAとなっても，出力電圧は一定値を維持していることが分かります．

図7　トランジスタを追加して出力電流能力を拡大した回路のシミュレーション結果
I_L=200mAでも出力電圧は一定となっている．

●基準電圧ICの出力電流能力を，電流制限付きで拡大する
　図6の回路には，電流制限機能がありません．しかし，図6の回路にLEDを1個追加するだけで，出力電流を制限することができます．図8が電流制限機能付きの，出力電流能力拡大回路です．

図8　電流制限機能付きの，出力電流能力拡大回路⁽²⁾
LEDを電圧リミッタとして使用し，Q₁のベース電圧を制限する

　LEDを電圧リミッタとして使用し，Q₁のベース電圧を制限することで，出力電流を制限します．赤色LED(QTLP690C)の順方向電圧(VF)は1.8V程度のため．Q₁のベースと電源間の電圧は1.8V程度から制限され始めます．そのため，I_Q1は式3のように，110mA程度で制限されることになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　I_Q1が制限されると，負荷電流の増加分は， I_OUTが増加することで供給することになります．I_OUTがさらに増加すると，LT6654の過電流保護回路が動作し，電流制限がかかります．電流制限値(I_lim)は，式4のように，式3の計算結果とLT6654の過電流保護回路動作電流の40mAを足したものになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　図9が図8のシミュレーション結果です．上段がQ₁のコレクタ電流とLT6654の出力電流です．I_Lが90mAを越えるとLEDによるQ₁の電流制限が開始され，LT6654の出力電流が増加しはじめます．

図9　電流制限機能付きの，出力電流能力拡大回路のシミュレーション結果
158mA程度で出力電流が制限されている．

　下段が出力電圧ですが，さらにI_Lが増加し，158mAを候えるとLT6654の過電流保護回路が動作し，OUT端子の電圧が低下します．このように，式4とほぼ等しい電流で，出力電流が制限されています．

　以上，基準電圧ICの出力電流能力を拡大する方法について解説しました．LT6654の詳しい特性や使い方についてはデータシートを参照してください．

◆参考・引用*文献
(1)アナログデバイセズ：LT6654のデータシート：P18 出力電流を増やしたリファレンス
(2)アナログデバイセズ：LT6654のデータシート：P18 電流制限付きで出力電流を増やしたリファレンス

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice11_009.zip

●データ・ファイル内容
LT6654_1.25.asc：図4の回路
LT6654_CB.asc：図6の回路
LT6654_CB.plt：図7のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LT6654_CB_CL.asc：図8の回路
LT6654_CB_CL.plt：図9のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル