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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。

USB-A延長ケーブルを低抵抗電源ケーブルに改造(完了)

 USB-A延長ケーブルの改造の話の続編です。前の記事ではケーブル抵抗がやや大きくて、ちょっと不満が残る結果でした。ということで、使い勝手が悪くならない範囲でもっと太い線を間に入れることにしました。

▼1.25sqのケーブル
1.25sq
 写真が見づらいですが1.25mm2と表示されています。ちなみにAWG16相当です。

 もっと太い線も売られていますが、使い勝手から考えるとこれくらいが限界でしょう。

▼回路図
USBケーブル改造回路図
 一番下の改造3が今回作るケーブルです。

▼完成
1.25sq延長ケーブル
 抵抗を測ってみると、
 ・VBUS側抵抗:88.6mΩ
 ・GND側抵抗:87.5mΩ

 目標の100mΩを切ることが出来ました。ここまでくると両端の細いケーブルの部分の抵抗が半分以上を占めています。ここを切り詰める、もしくはコネクタ直結にすればもっと抵抗を下げることが出来ますが、使い勝手との兼ね合いで難しいところです。

▼使用した収縮チューブ
使った収縮チューブ
 接続部の保護のために使った熱収縮チューブです。左の二つは細い信号線の端末処理にいつも使っている物です。右はダイソーで売っている各種サイズの熱収縮チューブの詰め合わせで、これいろいろなことに使えて便利です。

◆まとめ
 長さが約2.5mで、電源線の抵抗が0.1Ωを切るUSB充電ケーブルが出来ました。往復で2倍の抵抗になりますが、それでも0.2Ω以下なので、1Aの電流を流しても電圧降下は0.2V以下に収まります。

 USB電源アダプタの出力は普通は5.2V程度ありますが、1A流したとしてもケーブル端で5V以上が供給出来ることになります。最近のスマホなどの機器は、電圧を見ながら充電電流を制御する機能があるので、供給電圧の低下を防げば、より大きな電流で充電出来ます。そんなことで充電時間の短縮になります。もちろん電源アダプタの電流容量も関係してきます。

 USBの電源供給にはもっと高い電圧で大電力を送る規格があるので、この記事のようなちょっとおバカな改造は、将来は笑い話になりそうではあります。

【参考】
居酒屋ガレージ日記さんが、USB-Aコネクタの接触抵抗 という記事を書かれました。この記事によると、USB-Aコネクタを一つ(1ピン)通過すると、12~13mΩの抵抗ロスがあるそうです。
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