【電源回路】リニアレギュレータとスイッチングレギュレータの原理を解説

電源回路には様々な方式、バリエーションがありますが、弱電回路を構成する為に必ず用いられる、リニアレギュレータとスイッチングレギュレータの動作の原理について解説したいと思います。身近な電子機器では、パソコンを始め、スマホ、テレビ、ゲーム機と、ほとんどの電子機器に使われております。

リニア・レギュレータとは

■デメリット

弱点としては負荷電流がトランジスタまたはMOSFETにそのまま流れる事で素子が発熱する事です。発熱の原理は、トランジスタやFETの両端電圧×負荷電流で求められる電力がそのまま損失となる事で発生してしまいます。

■メリット
原理上、リップル(さざなみのような微小な変動)がなく、かつ、後述するスイッチングレギュレータのようなスイッチがオンオフするような動作が無い事から、電磁ノイズなどの放射が少ないといった特徴を持つため、ノイズを嫌う回路の電源としてよく使用されます。

スイッチング・レギュレータと比較して基本的に低コストであるという事も魅力の一つです。

スイッチング・レギュレータとは

スイッチ素子で入力電圧をスイッチングしてパルス波形を作り、出力段のコンデンサで平滑化して、出力電圧を得る仕組みです。オンとオフの時間の比で出力電圧を制御できる事が特徴であり、イメージは下の図のようになっています。左がIC出力直後の波形、ON,OFFを交互に繰り返した波形ですが、コンデンサを入れる事で、コンデンサが高速に充放電を行い、スイッチOFFの時は充電された電荷が放電されます。そのイメージは真ん中の図で、オレンジの部分の電荷がスイッチOFFの区間放電され、結果、右の図のように、平滑化された出力を得る事が可能となります。

■デメリット

スイッチング動作を行う事で、電磁ノイズ(EMIノイズ)が発生する。

■メリット

自由度が高く、さまざまな回路構成が実用化されています。入力電圧に対し、出力電圧を上げる事も下げる事も、入力電圧によらず一定の電圧を作る事も可能な所がメリットです。

次のように基本的な3種類に分類されます。

降圧型：
入力電圧よりも低い出力電圧を得るタイプで、スイッチング・レギュレータとしてもっとも一般的です。バック型(buck)とも呼ばれます。

昇圧型：
入力電圧よりも高い出力電圧を得るタイプです。高電圧を必要とする液晶パネルやLEDの駆動用として使われています。

昇降圧型：
入力電圧のよらず、出力電圧を一定の電圧の保つ事ができるタイプです。降圧動作と昇圧動作のいずれにも対応した電源回路で、主に入力電圧が大きく変動するような用途に用いられます。

まとめ

リニアレギュレータとスイッチングレギュレータの比較をまとめたいと思います。実際に回路設計をする際には、リニアレギュレータが使える部分はそれを使い、発熱に問題がある部分、多チャンネルを１つのレギュレータで対応したい、という場合にスイッチングレギュレータをつかうというような使いわけをする場合が多いと思います。

項　目	リニア・レギュレータ	スイッチング・レギュレータ
駆動対象の例	・リップルを嫌う回路 ・発熱が許容される回路 ・小電流回路 ・コスト優先回路　など	・大電流を流す回路 ・デジタル回路全般、 　例：プロセッサ 　　　メモリ 　　　グラフィクスチップ 　　　液晶、有機EL　等
電圧の変換	降圧のみ	降圧、昇圧、昇降圧
チャンネル数	3チャンネル以下が多い	プロセッサ用途で５や7チャンネル持っている物もある。
出力電流	数百mA～1A程度が一般的	外付けのパワーデバイス次第で100A以上の回路も可能
エネルギー効率	入力電圧と出力電圧の差が大きい場合などに効率が低下。	約80％～90％
ノイズ	ほとんど発生しない	スイッチングノイズが発生
設計難易度	低い	比較的高い (ワンチップ化したモジュールなどもある)
コスト	低い	高い

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