DC-DCコンバータ｜応用編
リニアレギュレータを使った電源設計のポイント リニアレギュレータICの効率と熱設計
2023.10.31
リニアレギュレータの効率の求め方
リニアレギュレータを使った電源の効率は、次の式から求めることができます。基本的に効率ηは、出力電力（POUT）/入力電力（PIN）であることは、リニアレギュレータでもスイッチングレギュレータでも変わりません。数式は、以下のようになります。
\(
\eta = \frac{P_{OUT}}{P_{IN}} = \frac{V_{OUT} \times I_{OUT}}{V_{CC} \times (I_{OUT} + I_{CC})} \times 100[％]\)
VCC：入力電圧 [V]
VOUT：出力電圧 [V]
IOUT：出力電流 [A]
ICC：ICの回路電流 [A]
条件として、ICCがIOUTに対して非常に小さい（ICC≪IOUT）場合は、次式で計算できます。
\(\eta = \frac{V_{OUT}}{V_{CC}}\times 100[％]\)
式より、入出力間の電圧差が小さいほど効率は良くなることがわかります。ただし、入出力電圧差は動作特性に影響を及ぼすことを加味して決める必要があります。
リニアレギュレータICの熱設計
リニアレギュレータICによる電源設計において熱設計は必須であり、重要な検討事項になります。ここでは、熱特性パラメーターΨJTを使った熱計算と、熱抵抗θJAを使った熱計算について説明します。
信頼性が高い動作を確保するには、ICのジャンクション温度TJが、絶対最大定格TJMAXの150℃＊1を超えないようにする必要があります。TJの見積もりは、次の2つの方法で算出できます。
*1：BDxxIC0シリーズの場合。ICごとに必ずデータシートで確認すること。
熱特性パラメーターΨJTを使った熱計算
表面温度測定によってICのTJを見積もるには、熱特性パラメーターΨJTを用いて計算します。熱電対をパッケージ上面中心にしっかり固定することができれば、パッケージ上面中心温度TTを精度良く測定できるため、熱特性パラメーターを用いて精度の高いTJを算出することができます。
\(T_J = T_T + \psi_{JT} \times P[℃]\)
TT：パッケージ上面中心温度 [℃]
ΨJT：ジャンクションからパッケージ上面中心までの熱特性パラメーター [℃/W]
P：ICの消費電力 [W]
PはICの消費電力で次式により計算できます。
\(P = (V_{CC} – V_{OUT}) \times I_{OUT} + (V_{CC} \times I_{CC}) [W]\)
VCC：入力電圧 [V]
VOUT：出力電圧 [V]
IOUT：出力電流 [A]
ICC：ICの回路電流 [A]
また、連続的に流せる最大出力電流は次式で算出することができます。
\(I_{OUT(MAX)} = \frac{T_{J(MAX)} – T_T}{(V_{CC} – V_{OUT}) \times \psi_{JT}} [A]\)
TJMAX：ジャンクション温度の絶対最大定格 [℃]
TT：パッケージ上面中心温度 [℃]
ΨJT：ジャンクションからパッケージ上面中心までの熱特性パラメーター [℃/W]
VCC：入力電圧[V]
VOUT：出力電圧 [V]
熱抵抗θJAを使った熱計算
熱抵抗θJAを用いて、簡易的にTJを見積もることができます。
\(T_J = T_A + \theta_{JA} \times P[℃]\)
TA：周囲環境温度 [℃]
θJA：ジャンクションから周囲環境までの熱抵抗 [℃/W]
P：IC の消費電力 [W]
また、連続的に流せる最大出力電流は次式で算出することができます。
\(I_{OUT(MAX)} = \frac{T_{J(MAX)} – T_A}{(V_{CC} – V_{OUT}) \times \theta_{JA}} [A]\)
TJMAX：ジャンクション温度の絶対最大定格[℃]
TA：周囲環境温度 [℃]
θJA：ジャンクションから周囲環境までの熱抵抗 [℃/W]
VCC：入力電圧[V]
VOUT：出力電圧 [V]
熱特性パラメーターΨJTと熱抵抗θJAの実測値例
下表に示す熱特性パラメーターΨJT及び熱抵抗θJAは、特定のPCB（プリント基板）で測定した値です。放熱性能は、PCパラメーター銅箔のレイアウト、部品配置、筐体形状、周囲環境などの影響で変わるため、熱特性パラメーター、熱抵抗も変化します。したがって、実機基板における値とは異なることを考慮する必要があります。
また、測定に使用したPCBの仕様を以下に示します。すべてHTSOP-J8パッケージ用で、順に1層（1s）基板（JESD51-3/-7準拠）、2層（2s）基板（JESD51-3/-5/-7準拠）、4層（2s2p）基板（JESD51-3/-5/-7準拠）となります。
DC-DCコンバータ
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-
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