1. なぜこのレギュレータはどこにでもあるのか

AMS1117-3.3は、小型基板で「5 Vから3.3 Vが必要」という場合の定番の答えです。SOT-223パッケージの3端子低ドロップアウト・レギュレータで、約1 A定格、3.3 V固定出力であり、2個のコンデンサ以外に外付け部品は不要です。

この単純さゆえに、ルータ、開発ボード、センサ、アダプタ、産業用コントローラに搭載されています。また、ピン配置が単純でアプリケーション回路も公開されており、市場が巨大であるため、多数のセカンドソースが存在する理由でもあります。

注意点は、この部品がしばしば熱的に安全な範囲を超えて使用されることです。設計者がデータシートの「1 A」と12 V入力を目にして、問題なく動作すると仮定してしまいます。しかし動作せず、その故障は即時的な不具合ではなく、ゆっくり進行する熱的なものです。

2. LDO交換で実際に重要なこと

代替の失敗のほとんどは、1行目ではなく3行目と4行目から生じます。電気的に互換性のある部品でも、誤ったコンデンサと組み合わせると発振したり、熱経路が異なるために20 °C高温で動作したりすることがあります。

3. ピン互換ファミリ

これらはすべて同じSOT-223フットプリントを使用しています。ピン1はグランド（または調整ピン）、ピン2は出力、ピン3は入力で、タブは出力に接続されています。そのため、機械的に互換性があります。

重要な例外が1つあります。SPX3819のような部品も3.3 V LDOですが、ピン配置が異なる5ピンSOT-23パッケージに収まっています。同じカテゴリに分類されていても、SOT-223基板の代替品にはなりません。

4. すべてを決める熱計算

リニアレギュレータは、電圧差に電流を掛けた値の電力を放散します：(Vin − Vout) × I。その電力はパッケージを通じて放出する必要があり、SOT-223は小型です。

次に、一般的な SOT-223 の熱抵抗を当てはめてみます。適度な銅面積で接合部から周囲まで約 80 °C/W とすると、1.7 W の損失で接合部温度は周囲温度より約 136 °C 上昇します。周囲温度が 40 °C の場合、それは 176 °C となり、最大定格をはるかに超えます。

0.5 W でも発熱します。これが、"1 A" の定格が実際には誤解を招く理由です。この定格は大きな銅面積と小さな電圧降下を前提としています。12 V から 3.3 V への変換では、実用的な連続電流は良くても数百ミリアンペアであり、筐体内ではさらに少ないことがよくあります。

ドロップアウトは熱の話のもう半分です。入力が出力電圧に向かって低下すると、レギュレータはレギュレーションを外れ、出力は入力からドロップアウトを引いた値に追従します。5 Vレールではほとんど問題になりませんが、バッテリーレールでは設計全体に関わります。

3.7 Vリチウムセルでは、300 mA時の3.3 V LDOに0.4 V未満のドロップアウトが必要で、しかも放電末期にそのドロップアウトが必要です。ほとんどの1 A LDOは、ドロップアウトが最も大きくなる全定格電流時にドロップアウトを規定しています。見出しの数値ではなく、実際の電流での曲線を確認してください。

銅面積を用いた計算例

5 Vから3.3 Vへの0.5 Aレールを考えます。消費電力は0.85 Wです。80 °C/Wでは接合部温度は周囲より68 °C上昇します。周囲25 °Cでは許容範囲ですが、筐体内の50 °Cでは余裕が少なくなります。

銅を追加すると、この数値はすぐに変わります。両層の25 mm × 25 mmの銅ベタに接続したタブに、いくつかのサーマルビアを設けると、実効熱抵抗を50 °C/Wに近づけられます。同じ0.85 Wでも接合部温度の上昇は約43 °Cになり、余裕があります。

教訓は、PCBがレギュレータの一部であるということです。同じ部品を使った2枚の基板でも、銅面積だけの理由で30 °Cも差が出ることがあり、レイアウトを無視した代替品の検討は比較の半分に過ぎません。

24 Vの産業用レールでは事情が明らかです。24 Vから3.3 Vへ100 mAを流すだけでも2 W以上を消費し、SOT-223では放熱できません。そのような設計では、どのLDOを使用するかに関係なく、まずスイッチング段が必要です。そうすればLDOは主変換器ではなくノイズ対策用のポストレギュレータとなり、その損失は桁違いに低下します。

5. リニアレギュレータが誤った答えとなる場合

入力が出力の約2倍を超える場合、または負荷が数百ミリアンペアを超える場合、スイッチングレギュレータが正しい選択です。これは置き換えではなく、インダクタ、異なる帰還ネットワーク、異なるEMI特性を備えた別のトポロジですが、熱計算上成立する唯一の設計です。

一般的なアーキテクチャは2段構成の電源です。12 Vから5 Vへの降圧コンバータ、続いて静かなアナログレール用に5 Vから3.3 VへのLDOを置きます。これによりLDOを熱的に無理のない範囲に保ち、重要な箇所で低ノイズを維持します。

すでに12 Vレールと高温で動作している3.3 V LDOを備える基板では、最も安価な修正は多くの場合、「より良い」LDOを探すことではなく、小型降圧モジュールを既存のLDOの前段に置くことです。

固定版と可変版

固定3.3 V版は最もシンプルな選択肢です。コンデンサ2個だけで済み、分圧抵抗は不要、公差の積み上げもありません。可変版はグランドピンをフィードバックノードに置き換えるため、抵抗が2本必要です。

複数のバリアントに展開する基板では、1リールで1.2 V、2.5 V、3.3 Vの構成をカバーできるため、可変品がトータルコストで有利になることがよくあります。代償は、配線するノードが1つ増えることと、再計算が必要な分圧回路があることです。さらに、基準電圧はファミリ間で同一ではありません。

見落としがちな落とし穴があります。可変品によっては基準電圧が1.25 Vですが、そうでないものもあります。基準電圧を確認しないと、リファレンスデザインからコピーした分圧回路が5–10%の誤差を生じることがあります。

6. ピン互換品で異なる点

ドロップアウト。全負荷時の最小入力電圧はファミリ間で異なり、電流が増えると上昇します。ドロップアウトが1.3 Vの品種では、放電終盤の4.2 Vバッテリから3.3 Vを安定化できません。

静止電流。一部のLDOは無負荷時にミリアンペアを消費し、他のものはマイクロアンペアを消費します。ほとんどの時間をスリープ状態で過ごすバッテリー製品では、この差がエネルギーバジェットを支配します。

コンデンサの要件。古いLDO設計では最小ESRが必要で、最新のセラミックコンデンサでは発振する可能性があります。新しい部品はセラミックで安定します。静電容量の値だけでなく、安定性曲線を確認してください。

熱抵抗。同じパッケージでも、ダイアタッチとリードフレームの構造が異なる場合があります。同一のフットプリントを持つ2つの部品は、同じ消費電力で10–20 °C異なる温度で動作することがあります。

ノイズ、PSRR、アナログレール

デジタルレールでは、ノイズは無関係です。アナログ、RF、センサー用レールでは、重要なのは仕様です。LDOの出力ノイズと入力リップルを除去する能力（PSRR）が、12ビットADCがクリーンな基準電圧を受け取れるかどうかを左右します。

PSRRは周波数とともに低下します。1 kHzで60 dBを除去する部品でも、100 kHzでは20 dBしか除去できない場合があり、ここはまさにスイッチング・プリレギュレータがリップルを出す周波数です。レールが高精度測定に給電する場合は、DCだけでなく、上流コンバータのスイッチング周波数におけるPSRR曲線を確認してください。

出力ノイズは通常、ある帯域幅におけるµV RMSで規定されます。帯域幅を比較してください。10 Hz～100 kHzで示された値は、10 Hz～1 MHzで示された値とは比較できません。

コンデンサの選択と安定性

LDOの安定性は、出力コンデンサのESRと静電容量に依存します。旧設計の部品は最小ESR（通常はタンタルまたは電解コンデンサ）を必要とし、純粋なセラミックコンデンサでは発振する可能性があります。新しい部品はセラミック用に設計されており、代わりに最小静電容量を必要とする場合があります。

実用的なルールが2つある。第一に、データシートの推奨コンデンサ値だけでなく、安定性曲線を読むこと。第二に、入力コンデンサをデバイスの近くに配置すること。長い入力トレースはインダクタンスを付加し、出力側が正しくてもループを不安定化させる可能性がある。

代替品を使用した結果、マルチメータでは問題なく見えるレールに低周波の発振が生じている場合、コンデンサが最初の容疑者となる。オシロスコープで出力をAC結合し、数ミリ秒にわたって確認すること。

7. 実用的なテスト計画

並列動作と電流分担

リニアレギュレータは電流をうまく分担できません。2個のAMS1117を並列接続しても、1.5 Aの負荷を均等に分担することはありません。出力電圧がわずかに高い方のレギュレータが、熱ドリフトによってバランスが変わるまで、電流の大部分を引き受けます。

より多くの電流が必要な場合は、その電流定格を持つ部品かスイッチングコンバータを使用してください。各出力に小さなバラスト抵抗を直列に追加すれば分担を強制できますが、電圧ヘッドルームと安定余裕を犠牲にします。3.3 Vレールではそれだけの価値はほとんどありません。

逆電流と保護

出力が入力より高い電圧で駆動される可能性がある場合——たとえば入力が取り除かれた後も下流のレールが生きている場合——電流がレギュレータを通って逆方向に流れることがあります。一部のLDOはこれを許容しますが、許容しないものもあります。基板に複数の電源がある場合は、逆電流の仕様を確認してください。

入力と出力の間にショットキーダイオードを入れると逆極性から保護できますが、リーク電流とわずかな電圧降下が追加されます。バッテリ製品では、そのリーク電流が保護の価値を上回るほど重要になる場合があります。

セカンドソース間の品質差

この価格帯では、セカンドソースは設計と同程度にプロセス制御で競合します。最もばらつくパラメータは、温度下での出力電圧公差、全負荷時のドロップアウト、および静止電流です。

非クリティカルなデジタル電源レールでは、これらの差が問題になることはほとんどありません。センサーや無線機に給電するレールでは、問題になり得ます。25 °C の標準値ではなく温度特性曲線を要求し、最悪条件を比較してください。

8. コストと供給

これらのレギュレータは数セントのコストであるため、価格差は絶対額では小さいです。重要な変数は、入手性、パッケージング、およびトレーサビリティです。

セカンドソースは一般的であり、非クリティカルなレールでは通常許容できます。アナログまたは RF レールでは、ノイズと PSRR を特性評価済みの部品を使い続けてください。安価なレギュレータは、どのテストにも不合格にならずに測定チェーンを劣化させる可能性があるためです。

このレベルでは、単価よりもリール数量とデートコードの方が重要です。安価な部品のフルリールは、オリジナル品の部分リールよりも高くつくことがあり、古い在庫は使用前に機能チェックが必要です。

プリレギュレータとモジュール

発熱しているLDOに対する最も実用的な対策は、その両端電圧を下げることです。12 Vから5 Vへの小型降圧コンバータを配置し、その後に既存の3.3 V LDOを続けることで、損失を半分以上削減し、低ノイズ電源レールを維持できます。

既製の降圧モジュールは試作には許容できますが、量産には適しません。インダクタ、コンデンサ、熱設計が不明であり、モジュールは誰も認定していないシングルソース部品になってしまいます。アーキテクチャが固まったら、プリレギュレータを基板上に設計してください。

オリジナルを維持すべき場合

電源レールが低ノイズである場合、熱マージンが小さい場合、または製品が認証済みである場合、最も安価な部品は再認定に値しません。そのような場合はオリジナルを維持し、セカンドソースは量産変更ではなく保険としてのみ使用してください。

9. FAQ

LM1117はAMS1117-3.3の直接の代替品ですか？

両者はSOT-223のフットプリントとピン配置を共有しています。ドロップアウト、電流定格、コンデンサ要件が異なるため、負荷と熱設計を確認してください。

このパッケージで12 Vから3.3 Vへ1 Aを流せますか？

いいえ。それは約8.7 Wの損失であり、SOT-223が処理できる範囲をはるかに超えています。スイッチングレギュレータが必要です。

なぜ私のLDOはセラミックコンデンサで発振するのですか？

一部の古いLDO設計では、セラミックコンデンサでは得られない最小ESRが必要です。セラミック出力コンデンサで安定すると規定されている部品を選んでください。

低ドロップアウトは常に優れているのでしょうか？

通常はそうですが、より高い静止電流や異なる安定性要件を伴う場合があります。パラメータをアプリケーションに合わせてください。

SOT-223基板でSOT-23-5のLDOに置き換えられますか？

いいえ。パッケージとピン配置が異なります。アダプタまたは新しいレイアウトが必要です。

実用的な電流上限はどれくらいですか？

電圧降下と銅面積によります。5 Vから3.3 Vのレールでは、熱限界が支配的になる前に、通常は数百ミリアンペアです。

10. 出典

• TI LM1117 製品ページ:ti.com
• Diodes AZ1117 ドキュメント:diodes.com
• MaxLinear SPX3819 ドキュメント:maxlinear.com