スイッチング電源とLDOを組み合わせた電源回路の効率改善

■問題

【 LT8608/LT3041 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，スイッチング電源とLDO(Low Drop-Outレギュレータ)を組み合わせた電源回路です．スイッチング電源の出力(SW_OUT)の電圧は，6Vとなっています．また，LDOは，SW₁によって出力(LDO_OUT)の電圧を3Vと5Vに切り換えることができます．そして，LDOの出力には0.5Aの負荷が接続されています．
　図1の電源回路で，LDOの出力電圧が5Vのとき効率は77%でした．LDOの出力電圧を3Vにした場合，効率は何%になるでしょうか．

図1　スイッチング電源とLDOを組み合わせた電源回路
LDOの出力電圧が3Vの場合，電源回路の効率は？

(a) 46%　(b) 57%　(c) 68%　(d) 85%

■ヒント

　スイッチング電源は，非常に高効率ですが，出力に混入するスイッチング・ノイズが問題となることがあります．そのような場合，スイッチング電源とLDOを組み合わせることで，スイッチング・ノイズを低減することができます．
　図1の電源回路の効率は，I_Lで発生する電力を，Vccが供給する電力で割ったものです．I_Lで発生する電力と，Vccが供給する電力がどのように変化するかを考えれば，答えは簡単に分かります．

■解答

(a) 46%

　図1の電源回路で，LDOの出力電圧が5Vのとき，I_Lに発生する電力は「5*0.5=2.5W」です．効率が77%の場合，V_INが供給する電力は「2.5W/0.77=3.25W」になります．
　LDOの出力電圧が3Vになると，I_Lに発生する電力は「3*0.5=1.5W」になります．一方，LDOに流れる電流は，LDOの出力電圧が3Vになっても変化しません．そのため，スイッチング電源の出力電流も変化しません．その結果，VCCが供給する電力は，LDOの出力電圧が変わっても3.25Wで変化しないことになります．
　これらの条件から，LDOの出力電圧が3Vのときの，図1の電源回路の効率を計算すると「1.5W/3.25W=0.46」となり，46%になります．

■解説

●スイッチング・ノイズを低減する方法
　スイッチング電源は，半導体スイッチを高速でON/OFFさせ，出力電圧を制御するもので，非常に効率が良いという特徴があります．一方，その出力には，半導体スイッチのON/OFFに伴う，スイッチング・ノイズがわずかに重畳されます．通常の用途では問題になりませんが，電源ノイズに敏感な回路の場合は，このスイッチング・ノイズが問題となることがあります．
　このような場合，図2のように，スイッチング電源の出力の後に，LDOを追加することで，スイッチング・ノイズを大幅に低減することができます．ただし，LDOのようなリニア制御方式の電源は，入出力の電圧差が大きいときの効率が良くありません．そのため，スイッチング電源とLDOを組み合わせた電源回路では効率に注意が必要です．

図2　スイッチング電源とLDOを組み合わせた電源回路のブロック図
スイッチング電源の後に，LDOを追加することで，スイッチング・ノイズを大幅に低減できる

●電源回路の効率
　まず，図2のブロック図を使用して，効率について計算して考えてみます．電源の効率は，電源の出力電力(負荷で発生する電力)を，入力電力(入力電圧源が供給する電力)で割ったものです．一般的に，これを100倍して%表示とします．図2において，負荷のI_Lに発生する電力(P_L)は式1のように計算できます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　VCCが供給する電力(P_VCC)は式2のようになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　スイッチング電源とLDOを組み合わせた電源回路の効率(η)は式3で計算できます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

▼LDOの出力電圧が5Vのときの効率
　図1の電源回路では，V_{SW_OUT}=6V，V_{LDO_OUT}=5V，I_L=0.5Aのときの電源回路の効率は77%でした．式1から負荷のI_Lに発生する電力(P_L)を求めると，式4のように，2.5Wとなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　VCCが供給する電力(P_VCC)は，式3を変形し式5のように，3.25Wと求められます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　LDOの出力電圧が5VのときのLDO単独の効率(η_L)とスイッチング電源単独の効率(η_S)を求めてみます．
　η_Lは，LDOの消費電流を無視すると，LDOの損失電力(P_LDO)と，負荷で発生する電力(P_L)から計算することができます．P_LDOはLDOに流れる電流とLDOの入出力電圧差を掛けたものになります．また，LDOの入力電力(P_LDOIN)はP_LとP_LDOを加算したものなので，LDO単独の効率(η_L)は式6のように，83%と計算できます．

・・・・・(6)

　スイッチング電源単独の効率(η_S)はP_VCCとP_LDOINを使用して式7のように92%と計算できます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)

▼LDOの出力電圧が3Vのときの効率
　次にLDOの出力電圧が3Vになったときの効率を求めてみます．出力電圧が3VになってもI_Lは変わらないため，スイッチング電源の動作条件は変わらず，I_VCCも変わらないため，P_VCCは変化しません．負荷のI_Lに発生する電力(P_L)は式8のように1.5Wになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(8)

　電源回路全体の効率(η)は式9のように，46%に低下します．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(9)

　LDOの出力電圧が3Vのとき，スイッチング電源単独の効率は変わりませんが，LDO単独の効率は，式10のように50%に低下します．

・・・・・(10)

　このように，LDOは入出力電圧差が大きくなると，効率が大幅に低下します．

●電源回路の効率を確認する
　図3は，図1の効率をシミュレーションするための回路です．スイッチング電源用ICはLT8608⁽¹⁾を使用し，LDOはLT3041⁽²⁾を使用しています．SW_OUT端子の電圧が6Vになるよう，R₁とR₂の値を設定しています．そして，スイッチS1を制御して，シミュレーション開始3ms後にLDO_OUT端子の電圧を3Vから5Vに切り替えます．

図3　図1の効率をシミュレーションする回路
「.mers」コマンドを使用して，効率を計算し，EF_3VとEF_5Vという変数に代入する．

　また，「.mers」コマンドを使用して，電源回路の効率を計算し，EF_3VとEF_5Vという変数に代入するようになっています．なお，VCCの電流は，スイッチングにより断続した波形となるため，「.mers」コマンドで平均値を求めてから，VCCの供給電力を計算しています．
　図4が図3のシミュレーション結果です．図4の上段がスイッチング電源の出力電圧とLDOの出力電圧です．そして，図4の下段がLDOの効率です．I_Lで発生する電力をLDOの入力電力で割って効率を計算しています．LDOの出力電圧が3Vのときの効率は48%で，式10の結果に近い値となっています．

図4　図3のシミュレーション結果
LDOの出力電圧が3Vのときの効率は48%で，式10の結果に近い値となっている．

　図5は「.mers」コマンドで計算した，図3の電源回路の効率です．LDOの出力電圧が3Vのときの効率は46.6%となっており，式9で計算した値とほぼ同じとなっています．

図5　図3の電源回路の効率

●効率を改善する方法
　スイッチング電源とLDOを組み合わせた電源回路では，LDOの出力電圧を下げたときの効率がかなり悪化します．LDOは入出力電圧差が大きいときの効率が低い，という性質があるためです．この問題を解決するには，LDOの出力電圧を下げたときは，連動してスイッチング電源の出力電圧も下げる必要があります．
　図6は，LDOの出力電圧に合わせて，自動的にスイッチング電源の出力電圧を制御し，LDOの入出力電圧差を一定に制御する回路のブロック図です．

図6　LDOの出力電圧に合わせて，自動的にスイッチング電源の出力電圧を制御するブロック図⁽³⁾
LDOの入出力電圧差がVrefと等しくなるよう，スイッチング電源の出力電圧を制御する．

　スイッチング電源はFB端子に入力された電圧が，基準電圧(Vref)と等しくなるようにPWM信号を制御します．そこで，LDOの入力電圧と出力電圧をゲイン1の差動増幅回路に入力し，その出力をスイッチング電源のFB端子に入力します．
　すると，差動増幅回路の出力電圧は，LDOの入出力電圧差(V_IN-OUT)と等しくなり，この電圧がVrefと等しくなるよう，スイッチング電源の出力電圧が制御されます．
　その結果，LDOの出力電圧を変えても，スイッチング電源の出力電圧は，LDOの入出力電圧差がVrefと等しくなるよう，制御されることになります．

●スイッチング電源の出力電圧を自動制御する
　図7は，図6の原理を使用して，スイッチング電源の出力電圧を自動制御する回路です．LDOのLT3041には，スイッチング電源の出力電圧を自動制御するための，ゲイン1の差動増幅回路が内蔵されています．差動増幅回路の出力はVIOC(VOLTAGE INPUT-TO-OUTPUT CONTROL)⁽⁴⁾端子に出力されます．

図7　スイッチング電源の出力電圧を自動制御する回路⁽⁵⁾
LT3041に内蔵されている差動増幅回路を使用してLT8608の出力電圧を制御する．

　図7の回路では，VIOC端子の出力電圧を，抵抗(R₁，R₂)で分圧し，LT8608のFB端子に入力しています．LT8608の基準電圧の値は，0.778Vとなっていますが，抵抗(R₁，R₂)により差動増幅回路の出力を分圧することで，LDOの入出力電圧差が1Vとなるように設定しています．また，抵抗(R3)は，スイッチング電源の出力の最大電圧を設定しています．
　図8は，図7のシミュレーション結果です．図8の上段がスイッチング電源の出力電圧とLDOの出力電圧です．スイッチング電源の出力電圧がLDOの出力電圧に対応して変化し，LDOの入出力電圧差が1Vで一定になっています．
　図8の下段は，LDOの効率です．LDOの出力電圧が3Vのときの効率は72%となっており，図3の回路の結果よりもかなり改善されています．

図8　効率を改善した電源回路のシミュレーション結果
スイッチング電源の出力電圧がLDOの出力電圧に対応して変化している．

　図9は「.mers」コマンドで計算した，図7の電源回路の効率です．LDOの出力電圧が3Vのときの効率は69%となっており，こちらも図3の回路の結果よりもかなり改善されています．

図9　効率を改善した電源回路の効率

　以上，スイッチング電源とLDOを組み合わせた電源回路の効率について解説しました．LT3041のVIOC端子の使用方法に関しては，LT3041のデータシートを参照してください．

◆参考・引用*文献

(1)LT8608データシート：アナログデバイセズ
(2)LT3041データシート：アナログデバイセズ
(3)VIOC機能を備えるLDOレギュレータ，入出力電圧を制御して効率を自動的に改善(図6)：アナログデバイセズ
(4)LT3041データシート(P26，VIOC)：アナログデバイセズ
(5)LT3041データシート(P28 Figure 81)：アナログデバイセズ

■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_019.zip

●データ・ファイル内容
LT3041_LT8608.asc：図3の回路
LT3041_LT8608.plt：図4のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LT3041_VIOC_LT8608.asc：図7の回路
LT3041_VIOC_LT8608.plt：図8のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル