小型電圧レギュレータの出力電圧ノイズを低減することは、多くの電子アプリケーションにとって重大な懸念事項です。のリーディングサプライヤーとして小型電圧レギュレータ、当社は、安定した低ノイズの電源を実現するためにエンジニアや設計者が直面する課題を理解しています。このブログ投稿では、小型電圧レギュレータの出力電圧ノイズを最小限に抑えるためのさまざまな戦略とテクニックを検討します。
電圧レギュレータのノイズについて
ソリューションを詳しく検討する前に、電圧レギュレータのノイズ源を理解することが重要です。出力電圧ノイズの原因となる要因はいくつかあります。
1. 内部ノイズ源
- 熱雑音: ジョンソン - ナイキスト ノイズとしても知られ、レギュレーター内の抵抗素子内の電子のランダムな動きによって生成されます。このノイズは温度と抵抗値に比例します。
- ショットノイズ: このノイズは、電荷キャリア (電子) の離散的な性質によって発生します。半導体デバイスでは、出力に電子がランダムに到着すると、出力電圧が変動する可能性があります。
- ちらつきノイズ: 1/f ノイズとも呼ばれ、低周波数でより顕著になります。ちらつきノイズは、デバイスの表面特性と製造プロセスに関連しています。
2. 外部ノイズ源
- 入力電圧リップル: レギュレータへの入力電圧に大きなリップルがある場合、特にリニア レギュレータでは、そのリップルが出力に伝達される可能性があります。
- 負荷過渡現象：負荷電流の急激な変化により、出力電圧が公称値から変動し、過渡ノイズが発生する可能性があります。
- 電磁妨害 (EMI): 外部電磁場がレギュレータ回路に結合し、出力電圧にノイズが発生する可能性があります。
出力電圧ノイズを低減するための戦略
1. 適切な電圧レギュレータを選択する
- 低ノイズレギュレータのトポロジー: 電圧レギュレータには、リニアレギュレータやスイッチングレギュレータなど、さまざまな種類があります。リニア レギュレータは高周波スイッチングを必要としないため、一般にスイッチング レギュレータに比べて出力ノイズが低くなります。低ノイズが優先されるアプリケーションの場合、多くの場合、低ドロップアウト (LDO) リニア レギュレータが適しています。たとえば、一部の LDO レギュレータは超低ノイズ性能を備えて特別に設計されており、マイクロボルト範囲のノイズ レベルを達成できます。
- レギュレータ仕様: ボルテージレギュレータを選択する場合は、ノイズ仕様に注意してください。通常、レギュレータのデータシートには、出力電圧のノイズ密度に関する情報が記載されており、通常、μV/√Hz で指定されます。アプリケーションに合わせて、ノイズ密度の値が低いレギュレータを選択してください。
2. 入力フィルタリング
- 容量性フィルタリング: 電圧レギュレータの入力にコンデンサを追加すると、入力電圧リップルを低減できます。大きな値の電解コンデンサは低周波リップルを除去でき、セラミックコンデンサは高周波ノイズを除去できます。例えば、10μFの電解コンデンサと0.1μFのセラミックコンデンサを組み合わせると、入力ノイズを低減する効果があります。
- LCフィルタリング: インダクタとコンデンサで構成される LC フィルタは、単一のコンデンサよりも優れたフィルタリング性能を提供します。インダクタは高周波ノイズのブロックに役立ち、コンデンサはエネルギーを蓄積および放出して入力電圧を平滑化します。ただし、LC フィルタの設計では、インダクタのインダクタンス値、コンデンサの容量値、負荷インピーダンスを注意深く考慮する必要があります。
3. 出力フィルタリング
- 容量性出力フィルタ: 入力フィルタリングと同様に、電圧レギュレータの出力にコンデンサを追加すると、出力電圧ノイズを低減できます。等価直列抵抗 (ESR) が低いセラミック コンデンサは、高周波ノイズ フィルタリングによく使用されます。低周波ノイズの場合、より大きな値のコンデンサが必要になる場合があります。
- アクティブ出力フィルター: 場合によっては、アクティブ出力フィルタを使用して、出力電圧ノイズをさらに低減できます。アクティブ フィルタは通常、オペアンプと受動部品で構成されます。特に低周波数において、パッシブ コンデンサ フィルターと比較して優れたノイズ低減性能を提供できます。
4. PCB レイアウトの考慮事項
- 接地: 電圧レギュレータ回路のノイズを低減するには、適切な接地が重要です。レギュレータ、入力および出力コンデンサ、負荷のすべてのグランド接続が 1 点に接続されるスター接地トポロジを使用します。これは、回路にノイズを導入する可能性があるグランド ループを最小限に抑えるのに役立ちます。
- コンポーネントの配置: 入力コンデンサと出力コンデンサをレギュレータピンのできるだけ近くに配置します。これによりトレースの長さが短縮され、トレースのインダクタンスと抵抗が減少し、ノイズ結合が最小限に抑えられます。また、敏感なコンポーネントをスイッチングレギュレータや高電流トレースなどの高ノイズ源から遠ざけてください。
- トレース幅: 電源ラインには幅の広い配線を使用して、抵抗とインダクタンスを低減します。配線が狭いと、特に大電流が流れる場合に電圧降下が発生し、ノイズが発生する可能性があります。
5. 負荷管理
- 負荷電流の安定化: 負荷電流をできるだけ安定に保つようにしてください。負荷電流が急激に変化すると、出力電圧が変動する可能性があります。負荷に高い動的電流要件がある場合は、次のような負荷電流安定化装置の使用を検討してください。サーボモータースタビライザー。
- 負荷デカップリング: 負荷の電源ピンとグランド ピンの間にデカップリング コンデンサを追加すると、負荷から電圧レギュレータへのノイズ カップリングを軽減できます。デカップリング コンデンサはローカル エネルギー貯蔵デバイスとして機能し、負荷に安定した電源を供給します。
6. EMIシールド
- シールドエンクロージャ: 外部電磁干渉が重大な懸念となるアプリケーションの場合は、電圧レギュレータ回路を保護するためにシールドエンクロージャを使用してください。金属製の筐体は外部の電磁場を遮断し、回路へのノイズ結合を低減します。
- フェライトビーズ: フェライトビーズを使用すると、電源ラインの高周波ノイズを抑えることができます。これらは高周波で高インピーダンス要素として機能し、DC 電圧に影響を与えることなくノイズを減衰します。
ケーススタディ: 高精度アプリケーションにおけるノイズの低減
安定した低ノイズ電源を必要とする高精度測定システムを考えてみましょう。このシステムは、小型の電圧レギュレータを使用して、高感度のアナログ コンポーネントに電力を供給します。
- レギュレータの選択: 10kHz で 10μV/√Hz の出力電圧ノイズ密度が指定された低ドロップアウト リニア レギュレータを選択しました。このレギュレータは、低ノイズ用途向けに特別に設計されました。
- 入力および出力のフィルタリング: 入力には10μFの電解コンデンサと0.1μFのセラミックコンデンサを並列に追加しました。出力には低ESRの1μFセラミックコンデンサを使用しました。この組み合わせにより、入力および出力電圧ノイズが効果的に低減されました。
- PCB レイアウト: スター接地、適切なコンポーネントの配置、広いトレース幅など、PCB レイアウトのベスト プラクティスに従いました。入力コンデンサと出力コンデンサは、レギュレータ ピンから数ミリメートル以内に配置されました。
- 負荷管理：負荷電流安定化装置を使用することにより、負荷電流を安定に保ちました。デカップリング コンデンサが負荷コンポーネントの電源ピンとグランド ピンの間に追加されました。
これらの対策を実施した結果、レギュレータの出力電圧ノイズが大幅に低減され、高精度測定システムの要求を満たしました。
結論
小型電圧レギュレータの出力電圧ノイズを低減することは多面的なタスクであり、レギュレータの選択、フィルタリング技術、PCB レイアウト、負荷管理、および EMI シールドについて慎重に検討する必要があります。のサプライヤーとして小型電圧レギュレータ当社は、お客様が低ノイズの電源ソリューションを実現できるよう、高品質の製品と技術サポートを提供することに尽力しています。
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参考文献
- ホロヴィッツ、P.、ヒル、W. (1989)。エレクトロニクスの芸術。ケンブリッジ大学出版局。
- Pressman、AI、Mok、KK (2009)。スイッチング電源設計。マグロウ - ヒル。
- ナショナル セミコンダクター コーポレーション(2007)。リニア レギュレータと電圧基準のデータブック。