電源とは、必要とされる電圧、電流を必要に応じて出力する装置です。
さまざまな機械や、家電、スマートフォン、さらには、NXPが取り扱っているLSIと呼ばれる電子部品などを、正しく動作させるためには、安定した電源が必要です。
例えば、スマートフォンでは、USBのケーブルをACアダプタに繋いで、スマートフォンの電池に充電しています。また、その充電した電池から、必要な電圧/電流を取り出して、スマートフォンの内部を動かしています。
こう見ると電池から、必要な電圧/電流を取り出している部分は「電源」ですし、ACアダプタも、スマートフォンを充電する「電源」ですし、そもそもコンセントの先にある、発電しているものも「電源」と考えられます。
今回は、LSI（電子部品）を動作させる「電源」について、説明していこうと思います。また、感覚的に理解できるよう、あまり式は使わず、入力と出力に着目して、その振る舞いを説明しようと思います。
まず、リニア・レギュレータと呼ばれるものを説明します。
リニア・レギュレータには、3端子レギュレータやLDO（Low Drop Output）と呼ばれるものなどがあります。
リニア・レギュレータは、図１のように働くものです。
図１ リニア・レギュレータの振る舞い
大事なところは、入力と出力を見たときに、電流はほぼ等しく、電圧が変化している点です。
また、仕組み上、出力電圧は入力電圧より低い電圧しか出せません。
ですので、リニア・レギュレータは、電圧降下装置と考えることができます。
では、図１のオレンジの四角の部分、無くなった分の電圧はどこに消えたのでしょうか？
答えは、熱になって空気中に消えます。
この点が、リニア・レギュレータの問題点で、入力電圧と出力電圧の差が大きいほど、熱になって消える分が大きくなります。
学校で習った、電力(W:ワット)=電圧（V:ボルト）×電流（A:アンペア）の式を思い出してください。
図２のように、１Aの電流で、入力電圧を５V、出力電圧を１Vのリニア・レギュレータを考えると、入力の電力の20％しか、出力に出せません。80％分は熱になって消えます。最近のエネルギー問題を考えると、ちょっと、うーんとなる結果ですね。
この入力電力から、どれだけ出力電力に変換できるかを表す言葉として、「効率」があります。
効率=出力電力÷入力電力
で計算されます。出力電力と入力電力が同じ場合は、効率は１(100%)となります。
図２の場合は、
出力電力（１V×1A=1W）÷入力電力（5V×１A＝５W）=0.2(20%)
となり、効率は20%となります。
図２ 効率のイメージ
ここまでリニア・レギュレータの悪い点を言ってきましたが、当然、良い点もあります。リニア・レギュレータは、その仕組み上、構造がシンプルで、出力電圧にのるノイズが非常に少ないという利点があります。
この利点は、きれいな電圧が必要になる用途、音楽装置や、高精度センサーなどには重宝されます。音楽はきれいな音で聞きたいですもんね！
最後にリニア・レギュレータの特徴をまとめます。
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項目 |
リニア・レギュレータ |
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入力と出力の関係 |
入力電流と出力電流は、ほぼ同じ。 入力電圧＞出力電圧。 |
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効率 |
入力電圧と出力電圧の差が大きいほど悪化。 |
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発熱 |
大きい。 |
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ノイズ |
低い。 |
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必要部品数 |
少ない。 |
第二回は、スイッチング・レギュレータについて説明します。
過去の記事は、「NXP「電源」まとめページ (日本語ブログ)」 からアクセスできますので、ぜひ見てみてください。
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