What is PSRR? - Part III

「積分ノイズとは？パートII」と題する過去のブログで積分ノイズとその意味について説明しましたが、今回は、低ドロップアウト（LDO）レギュレータのパラメータと電源電圧変動除去比（PSRR）に関わる機能、およびアプリケーションの条件によりどのように影響を受けるかという点に的を絞って説明します。

PSRRは、入力源からのリップル電圧を遮るLDOの能力を示しており、下記の公式で表すことができます。

PSRR曲線の例を図1に示しています。このチャートを2つの領域に分割できます。最初の領域は、「LDO Active Area」と書かれている部分であり、LDOが能動的なリップル・ブロッカーとして作用する周波数範囲を示します。これは、制御ループがパスデバイスを通して入力リップルを補正し、安定した出力電圧を維持できることを意味します。実際、形状はオペアンプのゲイン特性とほぼ同じです。制御ループがゲインを望ましいレベルに維持できなくなるまで直線です。理想的な世界では、出力コンデンサがなければゲインは1に一致するまで低下します。このポイントはトランジション周波数と呼ばれます。現実の世界では、LDOは安定するために一定の出力コンデンサが必要です。そのインピーダンスは、寄生インピーダンスと併せてフィルタを形成し、高周波 PSRR特性の改善に寄与します。

図1　PSRRの周波数領域の簡略図

 

「C_OUT and PCB parasitic」と書かれている2つめの領域では、LDOは、制御ループにより入力電圧リップルを抑制せず、出力段階のインピーダンスによってのみ寄与します。

LDO PSRRの性能は、調整ループ性能だけでなく、いくつかの主要な内部制御回路の性能の影響も受けます。電源からの電圧リップルは、さまざまな内部ブロックを通って出力性能へ影響を与えます。図2は、基本的なLDO ブロック図および入力電圧リップルが出力電圧に影響を与えうる形を示しています。

図2　LDO簡略ブロック図

最初の重要な部分は、内部電圧リファレンス・ブロックで、誤差増幅器および他のLDOブロックのために安定したクリーンなリファレンス電圧を生み出します。リップル電圧がリファレンス・ブロックを通って出力へ達すると、誤差増幅器はこの不要な電圧リップルをLDO出力にコピーします。これは望ましくない動作であるため、良好なPSRRを実現するには、リファレンス電圧ブロックはできる限りクリーンでなければなりません。

2つめのセンシティブなパスは誤差増幅器の電源です。リファレンス電圧の安定性に関わらず、誤差増幅器に対するクリーンな電圧がなければ、正確な結果が得られないでしょう。結合された電圧リップルは、増幅器におけるゲインの安定性と周波数補正へ影響を与え、出力電圧を阻害し、PSRRを低下させることがあります。

3つめのパスは、パスデバイスを通る出力までのカップリングです。リップルはレギュレータの適切な補正により削減されます。これは出力電圧リップルの最大の要因であり、適切に設計されたLDOであれば、これを低周波数および中周波数領域で抑制できるはずです。 

LDOのPSRR性能は、外部アプリケーションの条件の影響も受けます。最も重要な要因は、負荷電流、出力コンデンサ、および電圧ヘッドルームです。１つずつ詳しく見ていきましょう。

図3は、レギュレータの負荷電流の影響を示しています。電流が大きいほど、高周波範囲でPSRRが低いことが分かります。

図3　出力電流とPSRR－NCP163

 

図4は、出力コンデンサの選択がPSRRへ与える影響を示しています。電気容量が多いほど、高周波領域でPSRRが大幅に改善されることが分かります。これは、出力インピーダンスとPCB寄生インピーダンスがLCフィルタを形成して高いPSRRを維持するという、先に述べた当社の理論を確認するものです。LDOをポストDC・DCレギュレータとして使用する場合、PSRRを調整する際に役に立ちます。経験豊富な技術者は、PSRRピークをシフトして、コンバータのスイッチング周波数に一致させることができます。最大許容C_OUT 値は、維持すべきです。

図4　出力コンデンサ値とPSRR－NCP163

 

図5は、見落とされることが多い電圧ヘッドルーム・パラメータとそれがPSRRに与える影響を示しています。電圧ヘッドルームは、V_INとV_OUT の電圧差であり、LDOドロップアウト電圧と混同してはなりません。下記の例では、NCP163は、非常に低いドロップアウト電圧を提供しています。したがって、ごくわずかな電圧ヘッドルームを使用して非常に優れたPSRR性能を達成できます。信頼性の高い動作を実現するためには100 mVの電圧ヘッドルームで十分ですが、1ミリボルト増加するごとにPSRRが大幅に改善することが分かります。最終的に、収穫逓減が生じて、300 mVを超える差を使用する必要がありません。

図5　電圧ヘッドルームとPSRR－NCP163

LDOの性能に関しては、PSRRと、入力電圧リップルがどのようにLDO構造に結合されて性能に影響するかを理解することが重要です。次回のブログでは、現実のアプリケーションにおいてPSRR の値が何を意味するかを説明します。良好なスコープ写真と優れた設計事例のデモにご期待ください。すべての測定値と図は、当社の超高 PSRR のNCP163をベースとしています。