CMOS LDO レギュレータ設計ガイド: 1.0 µA の静止電流と高速過渡応答および逆電流保護の組み合わせ

を選択する CMOS LDOレギュレータ バッテリ駆動のワイヤレス センサー、ポータブル医療機器、スマート ユーティリティ メーターの場合、スタンバイ時の超低静止電流 (IQ) と大電流無線送信バースト時の高速過渡応答という、歴史的に相反する 2 つの電気的指標のバランスを取る必要があります。動作寿命の 99% 以上をディープ スリープに費やすデューティ サイクルのモノのインターネット (IoT) ノードでは、1 マイクロアンペアの連続 LDO グランド電流が数年間のバッテリの稼働時間を直接侵食します。

この妥協をなくすために、 ETEK マイクロエレクトロニクス を開発した ET63AXXシリーズ、動的静止電流制御、統合された逆電流保護、および 70 dB の電源電圧変動除去比 (PSRR) を特徴とする 300 mA の超低静止電流 CMOS LDO レギュレータです。

この記事では次のことを学びます:

• CMOS LDO レギュレータとは何か、またデューティサイクル無線負荷が従来の設計に課題を与える理由
• ET63AXX が負荷過渡速度を犠牲にすることなく 1.0 µA の自己消費電流を達成する方法
• 統合された 20 mV 逆電流保護により、外付けのブロッキング ダイオードが不要になる仕組み
• 安定した 1 µF セラミック コンデンサ動作のためのパッケージの熱制限と PCB レイアウト ルール

CMOS LDOレギュレータとは何ですか?

CMOS 低ドロップアウト (LDO) リニア レギュレータは、電圧制御された PMOS パス トランジスタと CMOS エラー アンプを使用して、わずかに高い入力電源からクリーンな安定化 DC 出力電圧を供給します。ベース駆動電流が負荷電流とともに増加する従来のバイポーラ レギュレータとは異なり、CMOS LDO レギュレータは、入力と出力間の非常に小さな電圧差 (ドロップアウト電圧) で動作しながら、スタンバイ状態全体にわたってマイクロアンペア レベルのグランド電流を維持します。

低電力IoTの電圧制御における3つの課題

1. 静止電流と過渡応答のトレードオフ

固定バイアスの 1 µA LDO では、内部 PMOS パス FET のゲート容量の充放電に利用できる電流が非常に限られています。 Bluetooth Low Energy (BLE)、Zigbee、または Sub-GHz トランシーバーがウェイクアップして、マイクロアンペアから数百ミリアンペアまで高速な電流ステップをプルすると、遅い制御ループにより、パス FET が完全に開く前に VOUT が MCU ブラウンアウト スレッショルド未満に低下する可能性があります。

2. ボディダイオード間の逆導通

標準の PMOS パス トランジスタには、VOUT から VIN に向かう固有の寄生ボディ ダイオードが含まれています。入力電源が崩壊、切断、または出力バルクコンデンサまたはバックアップセルに保持されている電圧を下回った場合、電流が出力から入力に逆流して、バックアップエネルギーが消耗され、レギュレータが損傷する可能性があります。

3. DC/DC スイッチング後のリップル

LDO を降圧または昇降圧コンバータの後のポストレギュレータとして使用して、RF シンセサイザーや高精度アナログ センサーに電力を供給すると、電源除去が不十分なため、スイッチング ノイズが敏感な負荷に直接結合する可能性があります。

ET63AXX CMOS LDO レギュレータがこれらの問題をどのように解決するか

の ET63AXX 高度な CMOS プロセスに基づいて製造されており、入力電圧範囲で動作します。 1.7V～5.5Vまでお届けします 300mA 8 つの固定出力電圧オプションにわたる連続出力電流: 1.2V、1.5V、1.6V、1.8V、2.5V、2.8V、3.0V、3.3V と ±1.5%の出力電圧精度 (IOUT = 1mA、TA = 25℃)。

ワイヤレス負荷ステップの動的静止電流調整

ET63AXX には、静的な内部バイアス電流に依存するのではなく、 ダイナミック静止電流回路。無負荷またはマイクロアンペアのスリープ条件下では、レギュレータは標準的な静止電流 (IQ_ON) をわずか 2 消費します。 1.0μA (TA = 25°C で最大 1.5 µA)、以下に低下します。 0.01μA（代表値） EN ピン経由で無効にした場合は (最大 0.1 µA)。

無線通信モジュールでのパケット送信中など、負荷電流が急速に増加すると、動的バイアス回路が内部ループ帯域幅とゲート駆動能力を一時的に高めます。これにより、厳密な負荷レギュレーションが維持されます (10mV（代表値）/30mV（最大値） 1 mA ≤ IOUT ≤ 300 mA の場合）、スタンバイバッテリ寿命を損なうことなく、過渡的なオーバーシュートとアンダーシュートを最小限に抑えます。

真の逆電流保護 (VOUT − VIN > 20 mV)

外部ショットキー ブロッキング ダイオードとその順方向電圧降下を排除するために、ET63AXX にはアクティブ 逆電流保護 OUTピンとINピンの間の差電圧を監視するコンパレータ。

VOUT が VIN を超えるたびに、 20mV (代表値)、保護ブ​​ロックは内部 PFET パス デバイスのゲートと基板バルクの両方を VOUT に切り替え、パス トランジスタを完全にオフにします。で検証したように、 ET63AXX データシート、VIN = 1.7VおよびVOUT = 5.5Vの厳しい逆バイアス条件下でも、逆漏れ電流(IRCB)はわずかに制限されます。 0.4μA（代表値）。このため、ET63AXX はデュアル電源 OR 接続トポロジ、USB プラスバッテリ レール、およびスーパーキャパシタを使用した計測回路に最適です。

低ドロップアウト電圧と入力追従動作

低ドロップアウト電圧 (VDROP) により、セル電圧が放電終了に向けて低下してもレギュレータがレギュレーションを維持できるため、使用可能なバッテリ容量が拡張されます。満席時 300mA 負荷 (TA = 25°C) の場合、ET63AXX は次のことを実現します。

• VOUT = 3.3V: 210mV (標準) / 400mV (最大)
• VOUT = 1.8V: 410mV (標準) / 600mV (最大)

入力電圧が公称安定化出力レベルを下回った場合でも、ET63AXX は安定した動作を維持し、その出力は入力電圧から完全に強化された PMOS チャネルの抵抗降下を差し引いた値をスムーズに追跡します。

70 dB PSRR、アクティブ出力放電、完全保護

ET63AXX は、1.0 µA の静止電流バジェットにもかかわらず、次の電源除去比を達成します。 1 kHz で 70 dB (標準) (VIN = 2.8V、VOUT = 1.8V、COUT = 4.7μF、IOUT = 20mA) および積分出力ノイズ電圧 (eN) 120 μVRMS (標準値) 10 Hz ～ 100 kHz の帯域幅にわたって。ライン規制は次のように行われます。 0.04 %/V (代表値) (最大0.2%/V)。

EN ピン (ET63AXXYB および ET63AXX バリアント) がロジック Low スレッショルド (VENL ≤ 0.4V) を下回ると、標準抵抗 (RLOW) が 110Ω OUTをGNDに接続し、出力レールの残留電圧を急速に放電します。内蔵の保護機能には以下が含まれます 550mA (標準値) 電流制限、 100mA (標準値) フォールドバック短絡電流、 150℃サーマルシャットダウン (25℃ヒステリシスあり)、および ±2000V HBM / ±1500V CDM ESD保護 横切って -40℃～+85℃.

ET63AXXの主な仕様

パッケージオプションと熱抵抗

超小型のウェアラブルと標準的な産業用 PCB の両方に対応するために、 ET63AXXシリーズ は、鉛フリー、ハロゲンフリー、RoHS 準拠の 3 つのパッケージで提供されます (XX は、12 = 1.2V、18 = 1.8V、33 = 3.3V などの固定出力電圧コードを示します)。

コンデンサの選択と PCB レイアウトのヒント

ET63AXX は、コンパクトなスイッチを使用して負荷範囲全体にわたって安定性を維持するように内部補償されています。 1 µF セラミック入力および出力コンデンサ (CIN = 1μF、COUT = 1μF):

• MLCC DCバイアスディレーティングを考慮してください: 選択 X5RまたはX7R Y5V や Z5U タイプではなく誘電体コンデンサを使用して、実効静電容量を維持します。 0.47μFと4.7μF 間の等価直列抵抗 (ESR) 5mΩと100mΩ 極端な電圧と温度にわたって。
• IN と OUT のループ インダクタンスを最小限に抑える: CIN と COUT を ET63AXX と同じ PCB 層に配置し、短く幅広の配線を使用して IN、OUT、および GND ピンに直接配線します。
• 露出したサーマル パッド (DFN4) を接地します。 1 mm × 1 mm ET63AXXYB では、定格 250°C/W の熱抵抗を達成するために、サーマル ビアを使用して露出したセンター パッドを PCB グランド プレーンに直接はんだ付けします。
• EN ピンを明示的に駆動します。 EN ピンのロジック High しきい値は次のとおりです。 VENH≧0.9V (1.2V および 1.8V GPIO と互換性あり) およびロジック Low しきい値 VENL ≤ 0.4V。常時オン動作が必要な場合は、EN を IN に直接接続するか、3 ピン ET63AXXS (SOT23-3) バリアントを使用します。

その他の超低電力レギュレータ オプションについては、以前の記事を参照してください。 ETEK の 1 µA 超低静止電流 LDO レギュレータ.

よくある質問

VOUT が VIN より高くなると、ET63AXX CMOS LDO レギュレータはどうなりますか?

VOUT が VIN を超えた場合 20mV (代表値)たとえば、出力バルク コンデンサまたはバックアップ バッテリが充電されたままの状態で入力電源が切断された場合、内蔵の逆電流保護コンパレータが内部 PMOS パス トランジスタをオフにし、そのバルク接続を VOUT に切り替えます。これにより、逆電流の流れがブロックされ、逆漏れ電流 (IRCB) が制限されます。 0.4μA（代表値） 外付けショットキーダイオードは必要ありません。

ET63AXX はどのようにしてわずか 1.0 µA の静止電流で高速負荷過渡応答を維持するのですか?

ET63AXX は 動的静止電流調整 建築。無負荷時、内部バイアス電流は次のように維持されます。 1.0μA（代表値） バッテリーのエネルギーを節約します。レギュレータが急速な負荷電流ステップを検出すると、内部バイアス電流を動的に増加させてエラーアンプのスルーイングとパスFETのゲート駆動を加速し、出力電圧の垂下を抑制します。

1.2V または 1.8V マイクロコントローラー GPIO は EN ピンを直接制御できますか?

はい。 1.7V ～ 5.5V の入力電圧範囲全体にわたって、EN ピンのロジック High しきい値 (VENH) は 最小0.9V、論理低しきい値 (VENL) は次のようになります。 最大0.4V、描画のみ 0.02μA（代表値） 入力電流の。標準の 1.2V、1.8V、および 3.3V CMOS GPIO は、レベル シフトなしで EN を直接駆動できます。

ET63AXX の安定性にはどのコンデンサ値が必要ですか?

ET63AXX は安定しています。 1μFセラミックコンデンサ 入力 (CIN) と出力 (COUT) の両方で。 DC バイアスディレーティング後の実効静電容量が範囲内に収まるように、X5R または X7R 誘電体コンデンサを使用してください。 0.47μF～4.7μF 間のESR 5mΩと100mΩ.

結論: バッテリ駆動システム向けの信頼性の高い 1.0 µA 電力

ワイヤレス センサー、ポータブル機器、バッテリー バックアップ式 IoT ノードの場合、 ET63AXX CMOS LDOレギュレータ DFN4 は、1.0 µA の静止電流、300 mA の出力能力、70 dB PSRR、および 20 mV の逆電流保護を 1 mm × 1 mm ほどの小型パッケージに組み合わせています。

👉 を探索してください ET63AXX 製品ページをダウンロードしてください。 ET63AXX データシート、またはETEKのサイトを参照してください。 低VIN LDO製品ライン

✉️ リクエストサンプル: https://www.etekmicro.com/sample