DC-DCコンバータ｜応用編

バラスト抵抗によるLDOの並列接続

2020.07.14

この記事のポイント

・バラスト抵抗による並列接続は、計算式で求めた値での出力電流の配分が可能。

・バラスト抵抗にはLDOの出力電流が流れるので負荷点で電圧降下が生じ、抵抗では電力損失が生じる。

・各LDOの出力電圧差、出力電流の振り分け、出力電圧降下はトレードオフの関係にあり、すべての特性のバランスを考えてバラスト抵抗の値を決める必要がある。

前回、LDOの2つの並列接続方法の内、ダイオードを使った並列接続について説明しました。今回はもう1つの方法であるバラスト抵抗を使った並列接続についてです。

バラスト抵抗によるLDOの並列接続

抵抗による並列接続例を示します。出力経路に直列に抵抗が入るため、出力電圧は負荷電流が増えるにしたがって降下します。

この回路も出力電圧が高い方のLDOから電流が供給され始めます。電圧が高い方のLDOの出力電流がバラスト抵抗を流れ電圧降下が生じることで、電圧が低い方のLDO電圧と同じになると、電圧が低い側のLDOからも電流供給が始まります。このように、抵抗の電圧降下を利用して出力電圧のバランスを取りながら、各々のLDOから負荷へ電流を供給します。出力電圧が釣り合う関係は以下の式で表すことができます。

バラスト抵抗を使ったLDOリニアレギュレータの並列接続回路例

VOUT1-IOUT1×RBALLAST=VOUT2-IOUT2×RBALLAST

VOUT1：LDO1の出力電圧
VOUT2：LDO2の出力電圧
IOUT1：LDO1の出力電流
IOUT2：LDO2の出力電流
RBALLAST：バラスト抵抗

バラスト抵抗と、IOUT1、IOUT2に分かれる電流、LDO間の電圧差の関係は次の式で表せます。

ただし、IOUT1+IOUT2=ILOAD

この式から、IOUT1とIOUT2の電流バランスを良くしようとするとバラスト抵抗RBALLASTの抵抗値は大きくなり、LDO間の出力電圧差が大きい場合もRBALLASTは大きくなることがわかります。また、抵抗値が大きくなると負荷点での電圧降下が大きくなります。

例えば、3.3V、1A出力のLDO1が＋1%、LDO2が－1%ばらつくとすると、出力電圧差は66mV（3.3Vの2%）になります。負荷電流2Aを1.2Aと0.8Aに配分しようとすると、上式よりバラスト抵抗は0.165Ωになります。

各LDOの出力電流が、どのような配分で負荷に供給されるかを右のグラフに示します。負荷電流0.4AまではLDO1の電流しか流れていないのは、LDO1の出力電圧の方が高いからです。0.4A付近でバラスト抵抗による電圧降下が66mV（＝0.4A×0.165Ω）を超えるため、LDO1とLDO2の出力電圧がVOUT点で同じになるためLDO2の電流が流れ始めます。2A時は計算通りに1.2Aと0.8Aに振り分けられています。

1A出力のLDOを2つ並列接続して2Aの出力電流を得たいところですが、推奨出力電流の最大値が1AのLDOでは、どちらか一方が1Aに達したところで、このシステムの最大出力電流となるので、グラフより供給できる最大出力電流は1.6Aになります。

LDOリニアレギュレータのバラスト抵抗による並列接続：出力電圧に2%の差がある場合の出力電流分担

次に示すグラフは、ロードレギュレーションのグラフです。負荷電流が増えるにしたがって、バラスト抵抗による電圧降下が大きくなって行きます。電圧降下は次式で計算することができます。実際の電圧降下は、この電圧にLDO自体のロードレギュレーション電圧が加算されます。

  VDIFF：LDO1とLDO2の出力電圧差
  RBALLAST：バラスト抵抗
  ILOAD：負荷電流*
  * LDO1とLDO2の両方の出力電流が流れている領域。

LDOリニアレギュレータのバラスト抵抗による並列接続時のロードレギュレーション（出力電圧差2%）

次に、温度特性を含めた出力電圧許容差が±3%あるLDOの例を示します。出力3.3V、1AのLDO1＋3%、LDO2が－3%ばらつくとすると、出力電圧差は198mV（3.3Vの6%）になります。負荷電流2Aを1.2Aと0.8Aに振り分けようとすると、バラスト抵抗は0.495Ωになります。

各LDOの出力電流がどのような配分で負荷へ供給されるかを下左のグラフに示します。出力電圧が±1%ばらついた先の例と同じく、計算通りに電流が振り分けられています。また、下右のグラフはこの条件でのロードレギュレーションを示しています。バラスト抵抗値が大きくなった分、負荷電流による電圧降下が大きくなっています。

LDOリニアレギュレータのバラスト抵抗による並列接続：出力電圧に6%の差がある場合の出力電流分担/LDOリニアレギュレータのバラスト抵抗による並列接続時のロードレギュレーション（出力電圧差6%）

説明してきたように、各LDOの出力電圧差、出力電流の振り分け、出力電圧降下はトレードオフの関係にあります。すべての特性のバランスを考えてバラスト抵抗の値を決める必要があります。バラスト抵抗には出力電流が流れるため、大きな電力損失が発生します。使用する抵抗器の定格電力が仕様を満たしていることを確認してください。JEITA（RCR-2121A/B電子機器用固定抵抗器の使用上の注意事項ガイドライン）では、定格電力の50%以下で使用することを推奨しています。

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