LDOの負荷過渡応答を改善する方法：内部動作のメカニズムから理解する対策

LDOやDC/DCの選定では、入出力電圧や出力電流だけ見て、選定する設計者も多いのではないでしょうか。 実際の回路では、負荷電流が急激に変化したとき（過渡時）に、出力電圧が一時的に変動する **「出力過渡変動（ロードトランジェント）」** が発生します。 この過渡変動による一瞬の電圧変動が大きいと、後段にあるMCUやリセットICが「電圧低下」と誤認識してシステムがリセットしたり、後段デバイスに動作電圧外の電圧を印加する原因になりかねません。 この記事では、LDOの出力過渡変動時の内部動作と、抑制するための具体的な対策方法を解説します。 ## LDOの内部動作と過渡変動のメカニズム LDOは出力電圧を一定に保つため、内部のPch FET（パワートランジスタ）のゲート電圧をエラーアンプが調整し、FETのオン抵抗を変化させることで出力電流量を制御しています。 定常状態では、FETのゲート電圧を調整することで、オン抵抗を制御し出力電圧が一定になるように制御しています。 過渡応答では、下記のような動作がIC内部で起きています。 1. 出力電流1mAで安定。ドライバFETの **Vgs=0.7V** を維持。 2. 出力電流が1mAから100mAに負荷変動 3. 出力電圧が低下し、出力電圧が設定値になるまでドライバFETのVgsを大きくする 4. ドライバFETの **Vgs=1.2V** で出力電圧安定。 LDOから見ると、負荷過渡変動とは変動後の負荷変動で安定するための **動作点（ゲート電圧Vgs）** をエラーアンプでいかに早く動かすことができるかです。この時間が遅ければ負荷過渡変動は大きくなり、この時間が早ければ負荷過渡変動は小さくなります。 過渡変動を小さくするためには、以下の2つのアプローチがあります： * **応答を早くする** * ゲート電圧の動作幅を小さくする * エラーアンプの応答速度を早くする * **変動を出力コンデンサで吸収する** * CLを増やして出力電圧低下を抑制する ## 対策1. 同一ICでの対策 ### 出力容量値の増加 出力容量を増量することで、負荷電流の急変時にコンデンサが電荷を供給・吸収し、過渡変動を抑制します。CLが大きいほど過渡変動は小さくなります。 ただしLDOによっては推奨CLの上限が設けられている場合があります。データシートの推奨容量範囲を確認した上で増やしてください。 ### CFB（フィードフォワードコンデンサ）の追加・調整 FB抵抗外付け品のLDOでは、上側抵抗（RFB1）と並列にコンデンサ（CFB）を接続することで、過渡応答を改善できます。 CFBを追加すると、出力電圧の変動が分圧抵抗を介さずFBピンへ高周波的にダイレクトに伝わるため、エラーアンプの応答がブーストされ過渡変動が小さくなります。 CFBの最適値は製品・回路条件によって異なります。データシートに推奨値が記載されている場合はそれを参照し、記載がない場合はメーカへの確認をおすすめします。 ### 出力電流をゼロに近づけない（ドライバFETのゲート電圧を高くする） 無負荷・軽負荷状態ではVGSがドライバFETのVth付近になり、FETはほぼオフに近い状態になります。この状態で負荷変動が起きると、動作点に達するまでのゲート電圧変動幅が大きく、定常状態になるまでの時間が遅くなります。 負荷抵抗の追加等で常時ある程度の電流を流してVGSをVthから離した状態を維持することで、過渡時の応答速度が改善します。ただし、低消費電流が必要なアプリケーションでは、この方法を適用することがシステム要件的に難しい場合があります。 ## 対策2. 負荷側での対策 ### 負荷の電流変動量・スルーレートを抑える LDOの過渡変動は負荷電流の変化速度（スルーレート）と変化量に依存します。負荷側の設計で電流変化を緩やかにすることも有効な対策です。 * **スルーレートを緩やかにする** MCUの動作クロックを段階的に立ち上げる、パワースイッチFETのゲート抵抗を大きくして立ち上がりを鈍らせるなどの対策が有効です * **周辺デバイスの起動・動作タイミングをずらす** 複数のデバイスを同時に起動・動作させると出力電流が大きくなるため、タイミングをずらすことで出力電流の変動幅を小さくします * **負荷の動作タイミングをずらす（過渡変動の重なりを避ける）** LDOが負荷過渡変動から回復する途中、つまりエラーアンプがドライバFETのゲート電圧を動作点に戻し切る前に次の負荷変動が発生すると、ゲート電圧の変動幅がさらに大きくなり、通常の負荷変動時よりも出力電圧の変動が大きくなる場合があります。 複数の負荷が連続して動作するシステムでは、前の過渡変動が十分に収束してから次の負荷を動作させるよう、動作タイミングを調整することが有効です。 ## 対策3. IC自体の変更 ### 高速応答のLDOに変更する LDOの負荷過渡応答特性は製品によって大きく異なります。一般的に低消費LDOは応答速度が遅く、消費電流の大きいLDOは過渡応答も速い傾向があります。またGreen Operation（GO）機能のような、負荷電流に応じてIC内部の動作モード（低消費モード⇄高速応答モード）を自動で切り替える技術を搭載したLDOも存在します。 IC変更が可能なのであれば高速応答可能な製品へ変更することで根本的な改善が可能です。 ## まとめ - LDOの出力過渡変動はエラーアンプがFETの動作点を調整する時間の遅れに起因する - 出力容量を増やすことで変動を吸収するのが基本対策だが、推奨範囲を超えると発振リスクがある - FB抵抗外付け品ではCFBの追加・調整で過渡応答を改善できる - 負荷側の電流スルーレートを緩やかにすることも有効 - 根本的な改善には高速応答LDOへの変更を検討する - 負荷の動作タイミングをずらし、過渡変動が収束する前に次の変動が重なるのを避ける