[解決事例]
回路設計トラブル編～急遽追加するLDO～
急遽の「困った！」を解決します
ほぼ基板の設計が終わっていたのに、後段ICの仕様に落とし穴が…そんな時に急遽、対策部品を追加することはよくあることです。
ここでは、過去にあった事例をご紹介します。トラブル時にどんな対応をしたら良いかを知っておくと余計なトラブルの回避もでき、また起きたとしても迅速に解決できたりします。ぜひ、参考にしていただければ幸いです。
第1回：急遽追加するLDO
LDOは通常の使い方以外に、定電流回路などの応用回路例もあります。
安価で小型であり、外付け部品もそれほどないため対策部品としても使えます。対策部品としてのLDOの選定の仕方は、通常の部品選定と考え方は 同じになります。
トラブルが起きた背景
もともと電源供給源(PSU：Power Supply Unit)の出力の5Vから直接後段のLSIに電源供給するはずだったお客様から、実は4.7V以上の電源電圧を与えると問題が発生することが分かりました。
後段のLSIの電源電圧範囲が広いので、4.7V以下ならかなり低い電圧でも問題ないが、なるべく高い電圧の方がパフォーマンスが良くなるので、4.7Vに近い出力になる製品を選びたい、と要求がありました。
お客様の課題と検討項目
実際のお客さまの環境を確認すると、以下のことが分かりました。
また、このトラブルを解決するためには、いくつかの事項を考慮に入れる必要があります。
| お客様へのヒアリング | 検討すべき項目 |
|---|---|
| 5Vの電源供給源、と言っても出力電圧には誤差が生じます。 今回の電源の出力電圧は5V±10%で保証されているということが確認できました。 そのため、追加する部品の入力電圧は4.5V～5.5Vになります。 | 入力電圧の範囲 |
| 電圧を下げる方向なので、追加する部品をLDOにすることにしました。 LDOの出力電圧精度を考えると、設定出力電圧は4.6V以下にしなければならないようです。 | 電圧の変動 |
| LDOの入力電圧(電源供給源の出力電圧)が最低の4.5Vで、LDOの設定電圧が4.5Vより高い場合、 後段のLSIの負荷により出力電圧が下がってしまうので、この点を考慮しておく必要があります。 今回の回路構成では、100mAが最大流れることが分かりました。 | 出力電流(負荷) |
| 基板の実装スペースは、部品を追加することはそれほど難しくありませんでした。 しかし小型のパッケージが望ましく、しかもリードレスではないものを選択したい、と要望がありました。 | 基板のスペース |
| 実装基板は4層FR4、ディレーティングはお客様の社内規定で50%、周囲温度は最大で85℃になることが分かりました。 | 放熱の考慮 |
解決までのプロセス
お客様へのヒアリング結果を元に、まずは入出力電圧と出力電流で絞り込みを行いました。
１．入出力電圧と出力電流
条件は下記になります。
- 出力電流の最大が100mAのため、150mA出力製品を選択
- 入力電圧範囲は4.5V～5.5V
- 出力電圧は4.4V/4.5V/4.6Vが候補
２．入出力電圧差のチェック
次に、入出力電圧差を確認します。一般的に、入出力電圧差は小さい方が良いです。
この点を考慮すると、デバイス候補はRP130xシリーズ
RP130シリーズの出力電圧4.4V/4.5V/4.6V品の入出力電圧差は以下の値です。
- typ.0.24V@150mA (0.16V@100mA)
- worst.0.37V@150mA/85℃ (0.247V@100mA)
| 記号 | 項目 | 条件 | Typ. | Max. | 単位 | |
| VDIF | 入出力電圧差 | IOUT = 150 mA | 1.2 V ≤ VSET < 1.5 V | 0.67 | 1 | V |
| 1.5 V ≤ VSET < 1.7 V | 0.54 | 0.81 | ||||
| 1.7 V ≤ VSET < 2.0 V | 0.46 | 0.68 | ||||
| 2.0 V ≤ VSET < 2.5 V | 0.41 | 0.6 | ||||
| 2.5 V ≤ VSET < 4.0 V | 0.32 | 0.51 | ||||
| 4.0 V ≤ VSET | 0.24 | 0.37 | ||||
必要電流での入出力電圧差の見積もりをすると4.5V入力の場合でtyp4.34V、min4.253Vまで電圧が低下することが分かりました。(過渡応答は含まない) この出力電圧自体は問題ありませんが、通常の5V入力時には十分な入出力電圧差があることから4.6V品の選択になりました。 もともとレギュレーションしていない状態でつかっていたので、4.6V品で良いと判断されたようです。
３．パッケージの選択
SOT-23-5 許容損失 対 周囲温度
パッケージを選択するときには許容損失を考える必要があります。これまでの条件で考えると、LDOの入力電圧が5.5V、出力電圧が4.6V、出力電流が100mAの負荷がかかっている時が、最大の損失になることが分かります。
その際の損失は90mWです。(5.5V-4.6V)×0.1A＝0.09W
50%のディレーティングから、85℃で180mW以上の許容損失があるリードありのパッケージが必要になります（許容損失は基板材質や、レイヤー数、ビア数、金属面積やレイアウトによっても左右されます）。
その結果、SOT-23-5パッケージである、RP130N461B-TR-FEになりました。
４．選択が可能なオプション
選択した製品は、OFF時に出力コンデンサをディスチャージするトランジスタが内蔵されています。 自動でディスチャージする機能の有無も選択できますが、今回のお客様はどちらでもよいということでした。 その際は、流動性が良さそうな製品を選択するほうが良いと思われます。
急遽の
「困った！」
"LDOの追加" で解決できます！
「困った！」
"LDOの追加" で解決できます！
今回のお客様は、RP130N461B-TR-FEを選択することで、不具合を解決することが出来ました。
部品追加で問題を解決する場合も部品選定の方法は通常時の部品選定の方法と似ています。様々な条件の見落としがないように考慮して部品選定することで的確にトラブルを解決できます。