LDO 1.8 V: モバイルデバイスでのアプリケーション 

最新のモバイル デバイスにとって 1.8V LDO が重要な理由

プロセッサーコアの供給電圧の安定性は単なる技術特性ではなく、スマートフォンの寿命や通信品質を決定する基本的な要素です。私たちのエンジニアリング コンサルティング業務では、電子機器メーカーが熱条件を無視して価格のみに基づいてリニア レギュレータ (LDO) を選択する状況に定期的に遭遇します。結果は予測可能です。ピーク負荷モード中のチップセットの過熱とバッテリーの早期劣化です。ここで重要な要素は、LDO 1.8 V: モバイルデバイスでのアプリケーションプリント基板の面積と消費電力に対する厳しい制限の下で動作できるコンポーネントを選択するには、特別なアプローチが必要です。

1.8 V は、最新のモバイル プロセッサ、LPDDR4/LPDDR5 メモリ モジュール、および高速インターフェイスのデジタル コア (Vcore) に電力を供給するための標準です。この値からの偏差が ±3% を超えると、計算エラーまたは完全なシステム障害が発生します。スイッチング モード (DC-DC) コンバータとは異なり、LDO は高周波リップルのない非常にクリーンな出力電圧を提供します。これは、プロセッサの近くにあるアナログ回路や RF モジュールにとって重要です。ただし、この純度には効率の低下が伴い、コンパクトなパッケージでは熱放散に重大な問題が発生します。

エネルギーを節約するために、たとえそれが正当化されない場合でも、エンジニアが LDO を DC-DC コンバータに置き換えようとする傾向が見られます。しかし、PLL (位相同期ループ) や高速 ADC/DAC などの敏感な負荷の場合、スイッチング コンバータからのノイズは悲惨です。適切な 1.8V LDO を選択するには、ノイズ レベル (PSRR)、過渡速度、自己静止電流消費のバランスが重要です。 1 回のバッテリ充電で 24 時間を超えてアクティブに使用する必要があるデバイスを設計している場合、これらのパラメータを無視することは受け入れられません。

モバイルエレクトロニクス用1.8V LDOの仕様

ポータブル機器用のスタビライザーを選択するときは、最大電流ではなく、動的モードでのコンポーネントの動作に注目する必要があります。モバイル プロセッサは負荷を常に変化させます。スリープ モードのマイクロアンペアから、重いアプリケーションを実行するときの数アンペアまでです。 LDO はこれらのスパイクに即座に応答し、電圧を 1.8 V に維持する必要があります。回復時間が長すぎると、プロセッサが再起動する可能性があります。

当社のクライアントの 1 つであるウェアラブル医療センサーのメーカーは、デバイスが定期的にフリーズするという問題に直面していました。 2 週間の診断の後、選択した LDO の 1 MHz における入力リップル除去比 (PSRR) が不十分であることが判明しました。 LDO 自体に電力を供給するスイッチング コンバータによってノイズが発生し、1.8V 出力に漏れ込み、敏感なアナログ パスに干渉しました。コンポーネントを高 PSRR モデルに置き換えることで問題は解決しましたが、BOM コストが 12% 増加しました。これは信頼性の代償です。

技術文書 (データシート) で確認する必要がある主なパラメータ:

• ドロップアウト電圧:効率的に動作させるには、入力電圧と出力電圧の差を最小限に抑える必要があります。最新の LDO は、1 A で 200 mV 未満のドロップアウトを必要とします。これにより、1.8 V 回路は、中間段を介してリチウムイオン電池 (3.7 ～ 4.2 V) から、または最小限の損失で 2.5 V レールから直接電力を供給することができます。
• 静止電流:モバイルデバイスがスタンバイモードのとき、LDO の消費電流は 1 ～ 2 µA 未満である必要があります。電話機がテーブルの上に置かれている場合でも、静止電流が高いとバッテリーが消耗します。
• 電源除去比 (PSRR):このパラメータは、LDO が入力電圧ノイズをどの程度フィルタリングするかを示します。オーディオおよび RF 回路には、100 kHz までの PSRR > 60 dB が必要です。
• 過渡応答:負荷の急激な変化後の電圧回復時間。適切な指標は、電流が 10% から 90% に変化するときの時間が 10 μs 未満であることです。

適切な特性を持つコンポーネントを選択することが、製品を成功させる第一歩です。画一的なソリューションに依存しないでください。各モバイル チップセットには、独自の電力整合性要件があります。

1.8V電圧用のLDOコンバータとDC-DCコンバータの比較

よく疑問が生じます。効率が 95% に達するパルスコンバータを、なぜどこでも使用しないのですか?答えはノイズの性質と回路の複雑さにあります。ハイブリッド回路は、プロセッサ コアへの電力供給によく使用されます。DC-DC がバッテリからの電圧を中間レベル (たとえば、2.5 V または 1.9 V) に降圧し、その後、LDO が電圧を正確な 1.8 V に安定させます。このアーキテクチャは、電力効率とクリーン性を兼ね備えています。

以下は、モバイル デバイスの 1.8 V 回路に電力を供給するアプローチの詳細な比較です。

表からわかるように、信号純度と省スペースが重要な場合には、LDO が不可欠です。 DC-DC を使用して 1.8V コアに直接電力を供給することは可能ですが、複雑な多相回路と高価なフィルターが必要であり、主流のミッドレンジスマートフォンでは現実的ではないことがよくあります。最適なバランスを実現するために、DC-DC の後のポストレギュレーターとして LDO を使用することをお勧めします。

熱放散の問題とエネルギー管理

モバイルデバイスにおける LDO の主な敵は熱です。リニア スタビライザは過剰電圧を消散する原理で動作するため、電力損失は次の式を使用して計算されます: P_loss = (V_in – V_out) * I_load。 1A の負荷電流で 1.8V LDO 入力に 4.2V (バッテリから直接) を供給すると、損失は 2.4W になります。 1x1mm WLCSP パッケージのコンポーネントの場合、これは熱障害が保証されています。

私たちの実務では、パワーチップの下のはんだが溶けたためにタブレットのバッチがリコールされるケースがありました。エンジニアは接合部から周囲までの熱抵抗 (RθJA) の計算を間違えました。彼らは、ヒートシンクのない密閉プラスチックケースでは、0.8 A の電流でもクリスタル温度が 125°C に達することを考慮していませんでした。解決策は、予備の DC-DC コンバータを使用して LDO の入力電圧を 2.5 V に下げることでした。これにより、消費電力が半分以下に減少しました。

モバイル デバイスの熱を効果的に管理するには、次の戦略が使用されます。

1. 多相電力:1.8V 負荷を複数の並列 LDO に分割します。これにより、PCB のより広い領域に熱が分散され、個々のコンポーネントにかかる熱ストレスが軽減されます。
2. 適応型電圧制御 (AVS):最近のプロセッサは、低負荷時にコア電圧の低下 (たとえば、1.7 V または 1.6 V へ) を要求する場合があります。 LDO は、調整範囲全体にわたって安定性を維持する必要があります。
3. PCB レイアウトの最適化:LDO本体の下にサーマルパッドを使用し、ビアステッチを通じてそれらを地球の内層に接続します。これにより、熱がクリスタルからデバイスの金属シャーシに向かって伝導されます。

設計段階で熱計算を無視すると、認証段階でコストのかかる修正が発生します。ボードを完成させる前に、必ず熱シミュレーションを実行してください。

最新の SoC アーキテクチャへの 1.8V LDO の統合

Qualcomm、MediaTek、Samsung の最新のシステムオンチップ (SoC) には、複雑な電源シーケンス要件があります。 1.8V の電圧は、多くの場合、他の電源レール (0.9V や 1.2V など) の後、または同時に現れるはずです。このシーケンスに違反すると、ラッチアップ効果が発生し、チップに不可逆的な損傷が発生する可能性があります。

モバイルデバイス用のLDOには、ソフトスタート機能とステータス監視機能（パワーグッド信号）が必要です。 PG 信号は、出力電圧が公称値に達し、安定していることを電源管理システム (PMIC) に示します。この信号がないと、メインプロセッサはブートローダーのロードを開始しません。

PCB 材料との適合性を考慮することも重要です。グローバルな供給環境では、コンポーネントは RoHS および REACH 規格に準拠する必要があります。ロシア市場および EAEU 諸国の場合、GOST R 適合証明書または TR CU 宣言の存在は、エンドデバイスの輸入および販売の必須要件です。書類が不足していると、税関での遅れや罰金が発生する可能性があります。

統合する場合は、使用する出力コンデンサの種類に注意してください。最新の LDO のほとんどは、X7R または X5R セラミック コンデンサを使用した場合にのみ安定します。タンタルまたはアルミニウムのコンデンサを使用すると、制御ループで発振が発生する可能性があります。コンデンサの ESR (等価直列抵抗) については、メーカーの推奨値を必ず確認してください。

LDO コンポーネントのサプライヤーを選択する基準

半導体市場は、ボラティリティが高く、偽造品のリスクが特徴です。 1.8V LDO サプライヤーの選択は、価格だけでなくサプライ チェーンの信頼性にも基づいて行う必要があります。次の基準に基づいてパートナーを評価することをお勧めします。

• 工場との直接契約：メーカーと直接契約を結んでいる販売代理店を優先してください。これにより、コンポーネントの信頼性が保証されます。
• 倉庫在庫の可用性:可能な限り最短の時間で大量の納品を提供するサプライヤーの能力。チップ不足により組立ラインが停止する可能性があります。
• 技術サポート:類似体の選択 (相互参照) と統合の問題の解決について支援を受ける機会。サプライヤーはアプリケーションの詳細を理解する必要があります。
• 品質認証:サプライヤーは ISO 9001 認証を取得しており、コンポーネント保管規格 (MSL レベル) に準拠しています。

これに関連して、テクノロジーと物流の交差点で活動する企業の経験に特別な注意を払う必要があります。たとえば、武漢新華隆科技有限公司は、2009 年に中国のオプティカル バレーに設立され、長期的な信頼性に重点を置いたアプローチを示しています。同社はプロの販売代理店として、世界の集積回路メーカーと最終消費者の間の重要なリンクとして機能し、透明性のある合法的なサプライチェーンを確保しています。

このようなパートナーシップの主な利点は、信頼性が保証されることです。すべての製品は公式ルートのみから調達されており、これは LDO などの繊細な電源コンポーネントにとって重要です。標準ソリューションに加えて、同社のポートフォリオにはハイテク類似品や特殊なマイクロ回路（通信および産業オートメーション向けのソリューションを含む）が含まれており、これによりエンジニアは市場で部品が不足している場合にコンポーネントを交換するための柔軟なアプローチ（相互参照）が可能になります。フルタイムのアプリケーション エンジニア (FAE) があらゆる段階で技術サポートを提供し、部品を購入するだけでなく、放熱から PSRR まであらゆる点を考慮してプロジェクトに組み込むことを支援します。

よくある質問

1.8V LDO に必要な最小入力電圧はどれくらいですか?

最小入力電圧は、特定のコンポーネントのドロップアウト電圧によって異なります。最新の低ドロップアウト安定器の場合、定格電流で約 100 ～ 200 mV です。したがって、最小入力電圧は少なくとも 1.9 ～ 2.0 V である必要があります。ただし、ピーク負荷時の安定性を確保するには、最小 2.2 ～ 2.5 V を供給することをお勧めします。

2 つの 1.8V LDO の出力を並列接続して電流を増やすことは可能ですか?

標準 LDO は並列接続用に設計されていません。パラメータの変動により、一方のスタビライザーの出力電圧が他方のスタビライザーの出力電圧よりわずかに高くなり、全体の負荷がかかって過熱する可能性があります。並列機能を備えた専用モデルのみを使用するか、より高い電流を備えた単一の LDO を選択してください。

周囲温度は 1.8V 出力電圧に影響しますか?

はい、すべての LDO には温度係数があります。通常は±0.1%/℃です。モバイルデバイスの動作温度範囲 (-20°C...+60°C) では、電圧変化は最大 1 ～ 2% になる可能性があります。設計公差ではこれを考慮する必要があります。精密用途には温度ドリフトの低いコンポーネントを選択してください。

1.8V LDO が高周波発振を生成するのはなぜですか?

最も一般的な原因は、出力コンデンサの選択が間違っていることです。コンデンサの ESR がデータシートの要件に準拠していることを確認してください。また、コンデンサができるだけ LDO ピンの近くに配置され、配線の長さが最小限になるようにしてください。寄生配線インダクタンスにより、フィードバック ループが不安定になる可能性があります。

結論と推奨事項

選択と実装LDO 1.8 V: モバイルデバイスでのアプリケーションエネルギー効率、熱性能、信号の整合性の間のトレードオフを深く理解する必要があります。この段階でのミスは、バッテリー寿命の短縮から大量の欠陥に至るまで、大きな損害をもたらします。プロトタイピングの初期段階で徹底的な熱モデリングと過渡テストを実施することを強くお勧めします。

食品成分の品質を軽視しないでください。 1.8 V の安定した電圧は、デバイスの長期にわたる信頼性の高い動作の鍵です。安定した生産量と技術的専門知識を提供できる、認定済み LDO およびその他の電源コンポーネントを供給する信頼できるパートナーをお探しの場合は、当社がお手伝いいたします。

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