電圧レギュレータの基礎知識(4/4)

上手に使うためのヒント

リニアレギュレータをより便利に使うための技術を紹介します。

パッケージの工夫で許容損失容量を増やす

リニアレギュレータの熱損失は入力電圧と出力電圧、出力電流の関係により決まります。

熱損失(Pd)=(入力電圧-出力電圧)×出力電流

いかにパッケージの放熱を良くし発熱させないかが実際の機器を製作する上で重要になります。放熱を効率よく行うパッケージにUSPパッケージがあります。パッケージの裏面にICシリコンが載っている金属のダイがむき出しになっており、そこから基板に放熱ができるようになっています。(写真2)
放熱量は基板の金属面積によりますのでUSP-6Cパッケージの放熱特性例を図17に示します。USP-6C単体では120mWの許容損失が、銅箔面積を片面800mm²(2層基板 表裏合計1600mm²)にすることで1Wの許容損失になり、さらに銅箔面積を大きくすることで大きな許容損失が得られます。評価に使用したボードは図16です。

(写真2)USP-6Cの裏面放熱板写真

(図16)放熱評価に使用した基板(2層基板)

(図17)USP-6Cパッケージ放熱特性例

XC6504x181xR

レーザートリミング

CMOSリニアレギュレータでは、出力電圧がプリセットされており外付抵抗などで出力電圧を調整するものはほとんどありません。代わりに0.1Vや0.05Vステップで出力電圧が用意されています。これには高精度に任意の電圧設定を容易に行えるレーザートリミング技術が用いられます。CMOSプロセスの場合バイポーラトランジスタのバンドギャップリファレンス(注1)のように安定した基準電源が作りにくいため、内部の基準電圧のバラツキを出力電圧プリセット用の抵抗をレーザートリミングすることで任意の電圧に設定すると同時に、出力電圧精度を確保するという手法が一般的に行われているためです。(図18)
出力電圧精度は一般的なもので±2%、高精度なもので±1%などがあります。また製品によっては動作温度範囲において出力電圧精度を規定されているものもあります。

(注1)バンドギャップリファレンス
「バイポーラトランジスタのエネルギーバンドギャップと抵抗などを用い、絶対温度に比例する電圧の温度係数の相反性を利用し、温度に対し一定の安定した電圧を得る回路。

(図18)レーザートリミング技術のバラツキ精度補正のイメージ

トリミング前:
ウエハ製造上のバラツキがそのまま現れています。

トリミング後:
狙い値を中心にバラツキが殆どなくなります。

レーザートリミングでは1チップ毎に測定された値を使って狙い値に対してトリミングの量を決めます。そうすることで高い精度が得られます。

少量購入する際、入手しやすい電圧は?

出力電圧を外部で調整できないものがほとんどであるため、購入時には在庫確認が必要になりますが、一般的な出力電圧、例えば5V、3.3V、3V、2.8V、2.5V、1.8V、1.2Vなどは入手しやすいです。

今後の開発動向

CMOSプロセスのLSIでは微細化は年々進んでおり、現在では22nmルールなどと言うものまでも量産されようとしてきています。リニアレギュレータなどの電源ICに使用するためには入力電源耐圧が必要となりますので、極端な微細プロセスが必ずしもよいと言うわけにはいきませんが、CMOSが得意とする微細技術の利用においては0.25µmや0.35µmなどを使って1.7V入力で1.2V出力の2Aが供給できます。また高耐圧などにおいても先端のCMOSプロセスで使われている様々な技術や利点を生かしたものが出てきます。
これはCMOSプロセスがLSIやメモリーなどの開発に利用されているので、プロセス技術として多くの技術蓄積があるためです。今後は車載用などより幅の広い分野でCMOSリニアレギュレータが使用されていくことになります。

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