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ダイソーの 3.4A USB充電器 (500円) の特性測定

ダイソーの 3.4A のUSB充電器を買ってきたので、例によって特性などを調べてみました。

▼ダイソーの 3.4A USB充電器
ダイソー3.4A USB充電器
ダイソーでは高額商品となる500円です。3.4A と言っても2.4A + 1A の2口出力で、自動判別機能という知らない機能が付いています。

▼メーカーの仕様表示
ダイソー3.4AUSB充電器
型番 G208、テラ・インターナショナル製、入力100-240V/0.5A、出力 5V/3.4A、当然ですがPSEマーク付きです。

▼出力コネクタ
ダイソー3.4A(500円)充電器
モールドの文字の凹みに細い油性ペンで2.4A/1.0Aと書き込むと見易くなりました。

一番の関心事は出力電流とリップルです。昔のダイソーのUSB充電器は0.5Aすらまともに出ない物があったので、ちょっと警戒しちゃいます。

きちんと特性を調べるために、自作の電子負荷を使って電流/電圧委特性を測定してみました。

▼特性測定
出力特性測定
測定用のUSB-Aコネクタで接続しました。電圧は出来るだけ電源に近い位置から引き出し、電圧降下の影響が最小になるようにしています。

左下に写っている白いケーブルは、USBコネクタの先に5Ω(10//10Ω)のセメント抵抗を付けたもので、これを挿すと約1Aの負荷になります。

測定した結果ですが、ポートは二つありますが、合計電流が約3.4Aでリミッタが働くようになっていました。つまり、片側のコネクタから3.4Aを取り出せば、残りのコネクタから取り出せる電流はゼロになります。実は容量が2.4Aと1.0AのDCDCコンバーターが別々に入っているかと思っていたのですが、そうではありませんでした。まあ、こうなっている方が電子工作であれこれやりたい時に便利です。

▼電流測定
電流測定
USB電源チェッカーを使っても良いのですが、電流測定は0.1Ωのシャント抵抗の電圧降下をこのDMMで測定しました。なお、3.4Aも流すとシャント抵抗で1Wくらい発熱するので注意が必要です。

▼特性測定結果
出力電流電圧特性
最大負荷まで電圧が一定値(約5.1V)を維持していてすばらしい特性です。回路と実装設計がうまく出来てないとこうはいかないと思います。

▼無負荷時リップル
無負荷時リップル
P-Pで70mVくらい(スパイク含む)。スイッチング周波数16.6kHzなので若い人なら音が聴こえるかも。

▼100%負荷時のリップル
全負荷時リップル
P-Pで170mVくらい(スパイク含む)。スイッチング周波数は70kHzくらいまで上がっています。

微小な信号を扱う回路で無ければ問題無いレベルだと思います。

▼温度上昇測定
温度測定
フルパワーで動かすとケースが温かくなるので熱電対で表面温度を測ったところ、最大で60℃くらいまで温度が上がっていました。室温は25℃だったので、Δt =35℃です。真夏だとちょっとヤバイかも知れません。

▼USBの各端子の電圧
以上の測定結果から、電源としての素性はなかなか良さそうです。あと判っていないのは、この充電器の売りの「自動判別機能」という機能です。たぶん iPhone や Android の違いがあっても、出来るだけ多く電流を使ってもらうように充電器が振る舞う仕掛けではないかと思います。但しポートによってその上限を変えてあるので、2.4Aと1Aで振る舞い方が違うのだと思います。

ともかくあまり良く判っていないのですが、無負荷時の端子電圧を見るくらいは出来るので測っておきました。

▼出力コネクタ周りの回路図と電圧
接続系統図と端子電圧
D+の電圧がポートによって違っていました。2つのコネクタ間でVBUSとGNDは単純にパラになっているだけだと思います。コネクタのシェルはGNDに落ちていました。あと、電源OFFの状態でピン間の抵抗を当たってみたのですが、何かのデバイスに接続されている感じで、少なくとも純抵抗ではなさそうでした。

◆まとめ
殻割りして中を見ればもっと情報が増えます。しかし、こういうAC電源を扱う物を殻割りすると、安全性が確保出来なくなるのでやらない方が良いです。もちろんそのまま捨ててしまうのなら問題ありません。

出力電流/電圧特性が極めて優秀なのには驚きました。昔のダイソーのひどいACアダプタから思うと今昔の感があります。

DC5V/3.4A のACアダプタが500円で手に入る訳で、これは魅力的な製品(部品)だと思います。少しパワーを出すようなものを作るときに重宝しそうです。

CMOS シリーズレギュレーターの特性測定(主に無負荷電流)

まえがき
CMOS シリーズレギュレーターの特性について以前の記事で触れましたが、デバイスの耐圧や許容電流で無負荷時の消費電流が変わるので要注意。つまり大は小を兼ねない場合がある、というのが重要な結論でした。

こういうことはデーターシートからほとんどのことが読み取れますが、細かいところで、実際の特性がどうなっているのかが判らないことがあります。例えば無負荷時の消費電流は max.10μA となっていても、実力的には半分以下であることが多いです。事情は判りますが、これは電池寿命を決定するための重要な値なのでちょっと困ります。

特性の実測
そのあたりを確認するには実測して確認するしか無いので、やってみました。
調べたCMOSレギュレーター
測定したのは全部 3.3V 出力の物で、XC6202P332TB、S812C33A、HT7333、 ME6202 の4種類です。測定は、入力/出力電圧特性と、入力電圧/入力電流特性で、後者の測定は無負荷状態と負荷に 330kΩを接続した状態で行いました。電源電圧 3.3V に 330kΩを接続すると消費電流は 10μAとなりますが、これは電池でバックアップしているような状態を想定したものです。

配線はマスキングテープで固定
マイクロアンペアオーダーの測定なので周囲の影響を受け易いため、配線が動かないようにテープで固定しました。また、この MDF の板の下にはアースに接続したアルミ箔を入れています(いつものままです)。負荷抵抗 (330kΩ) の切り替えをスイッチで行っているのは、配線の状態が出来るだけ変わらないようにするためです。なお、タクトスイッチを 10μA で使うのはちょっと問題がありますが、電流を実測して確認しているのでまあいいかと。

【追記】
あれこれもっともらしいことを書いていますが、大きな見逃しがありました。詳しくはこの記事の末尾をご覧ください。

XC6202 (XC6202P332TB)、20V/150mA、TO-92 (クリックで別窓の少し大きな図を表示、以下同様)
XC6202VV XC62602VI
[メーカー:トレックス、100円/2個@秋月] 現在在庫無し?
左が入力電圧に対する出力電圧特性、右が入力電圧に対する入力電流特性で、黒い線が無負荷、赤い線が 330kΩ負荷(負荷電流 10μA)の状態です。(以下同様)

電圧特性は CMOSのシリーズレギュレーター(更に無負荷状態)なのでドロップアウトもほとんどなく、綺麗な定電圧特性になっています。右側の電流特性では、設定電圧 (3.3V) 以下になると消費電流が急増しているのがちょっといやな感じです。あと、電源電圧が高くなると、無負荷電流が僅かに上昇しています。
なお、負荷に 330kΩを接続した場合はきっちり 10μAだけ電流が増えていて、変なおまけなどは付いていないようです。

S812C33A 16V/50mA TO-92
S812C33VV S812C33VI
[メーカー:エイブリック(旧SII)、100円/8個、@秋月 I-03289 ]
耐圧16Vなのでもっと高い電圧まで測定すべきでしたが、忘れていました。

右側の電流特性を見ると制御モードの切り替え付近 (3.3V) で少し電流の変化がありますが、その量は僅かです。また、電圧が上がっても消費電流の増加が全く無いのは素晴らしいです。消費電流は今回測定した物の中で一番小さくて 1.4μA(@5V) と優秀な値で、流石はSII です。
【追記】
1.4μAには測定器に流れていた電流の0.34μAが含まれていたので、正しくは1.06μAです。詳しくは記事末尾の追記をご覧ください。

ME6206 6.5V/300mA SOT-23
ME6206VV ME6206VI
[メーカー:MicroOne、100円/2個 @aitendo]
ME6206
これは SOT-23 パッケージなので、写真のようにピンヘッダにはんだ付けして測定しました。なお 662K というマーキングが付いていますが、XC6206 も同じマーキングなので要注意です。

特性としては耐圧 6.5V にもかかわらず消費電流が多くて、5Vの時の無負荷電流が 7μA です。TO-23 なので使い難く、特性もいまいちなので、あまり積極的に使う気はしません。

HT7333 12V/250mA TO-92
HT7333VV HT7333VI
[メーカー:HOLTEK、90円/3個 @aitendo]
無負荷時の消費電流は 4μA (@5V) で今回測定した物の中では二番目に小さな値です。XC6202 より耐圧が低いので消費電流的には有利なのかも知れません。また XC6202 のように設定電圧以下で消費電流が急増する現象が無いので安心です。

まとめ
自己消費電流は S812C33A が一番小さいので、消費電流を小さくしたい場合はお勧めです。それに値段も安いです。但し電流容量が 50mA と小さいく、また負荷電流が増えるとドロップアウトも急増するので要注意です。あと過電流保護回路が入っていないので、ブレッドボードでごちゃごちゃやる時に使うと、飛ばしてしまうかも知れません (S812C33E なら過電流保護付きだが秋月には無い)。そんなことでクセはありますが、常備薬みたいに持っていると良いと思います。

XC6202 は電源電圧が下がった場合の自己消費電流が急増する現象があります。実は私、この現象は CMOS レギュレーター共通の問題かと思っていたのですが、どうもこの部品 (データーシートを見るとXC6206も) 特有の現象だったようです。

0.96インチ OLED に使われている 662K というマーキングの 3端子レギュレーターは、XC6206 (トレックス) のようなので、今回これも調べてみたかったのですが、残念ながら手に入りませんでした。aliexpress で662K をキーワードに探すといっぱいヒットするので買ってみても良いのですが、偽物あるいはME6206が来る可能性もあるので、そこまでしなくてもいいかな、という気がしています。

n = 1 の測定でごちゃごちゃ書くなとお叱りが来そうですが、測らないよりずっとまし、と言うことでご容赦を。

【追記】
2番目の写真を見ていて、えらい見逃しというか測定誤差があることに気付きました。測定中は出力電圧をテスターで測定すると同時に、発振などしてないか確認するためにオシロを接続していました。問題はこれらの測定器の入力抵抗です。調べて(実測して)みると、

テスターの入力抵抗は 9.5MΩ だったので、その抵抗値に相当する負荷が接続されていたことになります。つまり、無負荷と思っていたのに実際には 3.3V/9.5MΩ = 0.34μAの電流が流れていたことになります。S812C33Aは無負荷消費電流が小さいので、相対的に大きな測定誤差が発生していました。

オシロは 10:1 プローブを使ったので入力抵抗は10MΩです。ただ幸いなことに、リップルを観察するためにACカップルで使っていたので直流的には∞Ωでした。ということで、幸いこちらの影響はありませんでした。でも、もしDCカップルで使っていたら上と同じ量の誤差が追加されたはずです。

テスターの入力抵抗なんて普段は無限大と思って気にしないで使っています。でも、マイクロアンペアオーダーの測定では無視出来ない誤差になることがあるので注意が必要です。

CMOS シリーズレギュレーターの種類と特性

1.まえがき
0.96インチ OLEDのインターフェイス基板を調べてみると、3.3Vのシリーズレギュレーターが搭載されていて、電源電圧は 5V から 3.3V まで使えるようになっていました。こういう使い方をするためには、入力電圧が 3.3V を下回ってもそのまま使えるレギュレーターが必要です。

また、このOLED モジュールをスリープさせた時の消費電流を実測してみたところ、7.66μAでしたが、そのうちシリーズレギュレーターの消費電流はたった 1μA程度で済んでいるようです。

この OLED に使われているシリーズレギュレーターには662K とマーキングされているので、TOREX社の XC6206 ではないかと思われますが、知らない間にシリーズレギュレーターの性能はすごく良くなっているみたいです。

そんなことで、CMOS のシリーズレギュレ-ターについて調べてみました。

ちなみに、ストックしているシリーズレギュレーターを引っ張り出してみたらこんなにありました。
シリーズレギュレーター
3 端子レギュレーターと呼ばれていた頃の古い仕様の物、LDO な物、CMOS などいろいろあります。

2.CMOS シリーズレギュレーターの解説資料
ネットを調べるといろいろ出てきますが、
TOREX社のアプリケーションノート:電圧レギュレータの基礎知識という資料がとても判り易く解説されていました。

この資料は CMOS のレギュレーターについて解説されていますが、私なりにポイントを整理すると以下のようになります。

1) デバイスの性能向上で、制御素子の Pch MOS FET の ON抵抗が下がり、飽和電圧も小さくなっている。
2) 耐圧を求めると飽和電圧が上がり、無負荷時消費電流(Iq)も増える。つまり無駄に高い耐圧のデバイスを使うのは良くない。
3) リップルが問題になる時は高リップル除去率の物を選ぶ。
4) CMOS回路では、バイポーラのバンドギャップリファレンスのような正確な基準電圧を作るのが難しい。そこでトリミングで希望の電圧に調整している。

なるほど、1) 2)項はパワーFET の選定の話と同じです。消費電流を下げることを追求した副作用で、応答速度が悪化したので、3)項の高リップル除去率の製品が必要になっている、という感じではないかと思いました。

あと、話はちょっと別の方向にそれますが、ATmega328 の CPU の内部Vref 電圧の精度が±10%と、嘘みたいに悪いのは4) 項のような事情が背景にあったんですね。

この記事の最初で話題にした、OLED に入っているシリーズレギュレーターの XC6206 は、TOREX の資料にも出て来て、耐圧6Vなので、入力電圧5V用の製品みたいです。どおりで消費電流(Iq)がすごく小さい訳です。

ちなみに、この資料にも出て来る XC6202 の手持ちがあったので、特性をちょっと測ってみました。

3.XC6202の静止時消費電流の測定 (XC6202のデーターシート
XC6206の測定
静止時(無負荷時)消費電流を測っている様子です。出力が発振などしていないか確認するためにオシロを接続しています。入力電圧を変化させると、5V以上で出力電圧がクランプされて安定化されている様子が良く判ります。なおこれは5V出力の物 (XC6202P502) です。

静止時消費電流 Iss (Iq)
XC6206のIq
データーシートによると、Iq はTyp. 10μA、Max. 24μA となっていますが、実測では 5.6μAでした(当然ですが、オシロの10MΩプローブを接続すると0.5μA増えます)。

4.XC6206 XC6206のデーターシート
次にOLEDに使われている XC6206 を調べます。これは6V耐圧の品種です。ただ、この素子の手持ちは無いのでデーターシートで特性を見て行きます。なお、3.3V のグラフは無いので、近い値の 3.0V のグラフを TOREXのデーターシートから抜粋しました。
入出力電圧特性 消費電流特性
左が入力電圧に対する出力電圧で、指定の電圧で安定化され、それ以下ではドロップアウト電圧分だけシフトして入力電圧に追従しています。
右は入力電圧に対する素子の消費電流で、電圧の安定領域では消費電流は1μAと極めて小さな値です。安定領域の下側(左側)では消費電流が急増しているので注意が必要ですが、それでも最大で14μA程度です。

5.まとめ
電池で動かしていて消費電流を出来るだけ小さく抑えたい場合、CMOSシリーズレギュレーターを使わない手は無いでしょう。その場合、用途別に最適な物を選択すると、より効果的です。

例えば 3.3V に降圧する場合、入力電圧が 3.3V を下回ってもそのままスルー状態で使えるので、電池の容量を限界まで使うことが出来るはずです(この場合、消費電流が若干増えることに注意)。なお、バイポーラのレギュレーターでもこういう特性の物はありそうですが、消費電流が1桁以上大きくなると思います。

ちなみに、電池で動かすアナログ表示の気圧計(LPS25H)では電池3本の4.5Vを3.3Vに降圧するためにXC6202を使っています。しかし、ここにもしXC6206を使っていれば、もっと省電力することが出来ていたことが、今になって判りました。

XC6206 は SMDパッケージの物しか手に入らないようです。でも効果を考えると実装が面倒などと言ってはいられないです。それに、もっと新しい素子も出ているようです。また、SMDパッケージならピン数の制約が緩くなるので、スタンバイ機能なども使い易くなると思います。
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