電気電子回路における電源回路の基礎 －電源IC（１）－
①はじめに
現在、半導体メーカー各社から、多種多様な電源ICが供給されています。以前に比べて、性能が向上し、便利な機能を持つものなど、選択の幅が広がっています。特段の事情が無い限り、ディスクリート素子で電源回路を組むよりも、これらの電源ICを使うほうが有利ではないかと思います。
②電源IC
さて、電源ICを動作原理から大まかに分類すると、リニアレギュレータとスイッチングレギュレータに分けることができます。以下、私なりの動作原理についての解釈です。
リニアレギュレータ
内部に可変抵抗（に相当する制御素子）があり、負荷電流の変化、あるいは、入力電圧の変化に応じて抵抗値を調節して出力電圧を一定に保つ。可変抵抗を負荷に直列に配したタイプ（シリーズレギュレータ）と、固定抵抗を負荷に直列、かつ、可変抵抗を負荷に並列に配したタイプ（シャントレギュレータ）がある。
スイッチングレギュレータ
入力からインダクタにエネルギーを蓄え、出力に放出することで、理論的には効率100％となる。入力と出力の電圧比は、スイッチングのデューティー比のみで決まるため、これを制御することで出力電圧を一定に保つ。ブラックボックスとして動作を見ると、AC電源での電源トランスのようにインピーダンス変換をしていると考えられる。
この他にチャージポンプIC、LEDドライバ（定電流駆動電源IC）などがありますが、以降では、シリーズレギュレータ、シャントレギュレータ、スイッチングレギュレータを比較してみます。
入出力関係、電力損失
以下、入力電圧をVin、出力電圧をVout、入力電流をIin、負荷電流（出力電流）をIout、電力損失をPdとし、原理的な関係式を示します。IC内部のコントロール回路の消費電流は、無視しています。なお、比較しやすいようにスイッチングレギュレータは、降圧タイプのみを扱います。
シリーズレギュレータ
Iin＝Iout
Pd＝（Vin×Iin）－（Vout×Iout）＝（Vin－Vout）×Iout
シャントレギュレータ
直列抵抗をRsとします。
Iin=（Vin－Vout）／Rs
Pd＝（Vin×Iin）－（Vout×Iout）＝（Vin×（Vin－Vout）／Rs）－（Vout×Iout）
スイッチングレギュレータ
理論的には効率100％ですが、比較のために電力効率をEfとします。
Vin×Iin×Ef＝Vout×Iout、 Vin×Iin＝Vout×Iout／Ef、 Iin＝（Vout×Iout／Ef）／Vin
Pd＝（Vin×Iin）－（Vout×Iout）＝（Vout×Iout／Ef）－（Vout×Iout）＝（Vout×Iout）×（（１－Ef）／Ef）
今回の一言
次回も引き続き、シリーズレギュレータ、シャントレギュレータ、スイッチングレギュレータを比較していきたいと思います。
