BuckかLDOか：電源トポロジの選択

BuckかLDOか：電源トポロジの選択

ほとんどの場合は2つの数値で決まります。電圧差と負荷電流です。その積が熱となり、熱がトポロジを決定します。

簡単な回答

(Vin − Vout) × Iout が約1 W未満: LDOはよりシンプルで、より低ノイズで、より安価です。
約1 W超: 降圧コンバータです。なぜなら、熱の逃げ場がないからです。
ノイズ重視の電源レール: 2段構成 — 中間レールまで降圧し、最後の降圧はLDOで行います。
ヘッドルームを確認する: LDOには最小のVin − Voutが必要で、それを下回ると動作しません。

1. まず効率で決まる

Efficiency of an LDO versus input voltage compared with a buck converter — 図1 — LDOの効率はVout/Vinであり、バックは全範囲で90 %近くを維持する。

5 V入力、3.3 V出力では、LDOの効率は約66 %で許容範囲です。12 Vでは27.5 %、24 Vでは14 %未満です。残りは、それを放散するようには設計されていないパッケージ内で熱になります。

2. 熱が第二の決定要因

Power loss versus output current for LDOs at 5, 9 and 12 V input and a buck converter — 図2 — LDOでは損失は電流に比例して増加し、バックは低いままである。

P = (Vin - Vout) x Iout

12 V -> 3.3 V、0.5 A時: 4.35 W
5 V  -> 3.3 V、0.5 A時: 0.85 W
12 V -> 3.3 V、0.1 A時: 0.87 W

1 Wルールは出発点のしきい値であり、物理法則ではありません。これは、小型SMDパッケージが銅箔、ビア、ディレーティング表を必要とし始める点に相当します。それを下回る場合、LDOが通常は適切なエンジニアリング上の選択です。それを上回る場合、バックは熱の面で元が取れます。

レール	LDO は～までなら問題ありません	それを超えると
5 V → 3.3 V	≈ 0.5 A	Buck
9 V → 5 V	≈ 0.25 A	Buck
12 V → 3.3 V	≈ 0.11 A	Buck
24 V → 12 V	≈ 0.08 A	Buck

3. LDO で得られるもの

特性	LDO	バック
Output noise	Low, no switching	Ripple at fsw
EMI	None	Requires layout care
External parts	Two capacitors	Inductor plus capacitors
Transient response	Fast, limited by bandwidth	Good, with more design
Efficiency at high Vin	Poor	Good

アナログフロントエンド、センサーリファレンス、またはPLL電源では、LDOの低ノイズ出力は効率よりも価値が高い。MCUとディスプレイに給電するデジタルレールでは、通常はバックコンバータの効率が勝る。

4. 判断マップ

Load current versus input-output difference with a 1 W boundary — 図3 — 曲線より下はLDO、上はバック。曲線はP = 1 W。

この曲線は単に (Vin − Vout) × I = 1 W である。12 Vから3.3 Vでは115 mAで交差し、5 Vから3.3 Vでは590 mAで交差する。この1本の線が、コストやノイズを考慮する前に、ほとんどの問いに答える。

5. コストと面積

Relative BOM cost and board area for LDO, buck and two-stage — 図4 — バックコンバータは部品点数が増えるが、その差は置き換える熱設計に比べれば小さい。

バックコンバータはインダクタ、より多くのコンデンサ、およびレイアウト作業を追加する。低電流では、それはLDOのコストを上回る。より高い電流では、LDOの銅箔とサーマルビアはインダクタと同じくらいのコストになり得る—そしてバックコンバータは熱を分散するのではなく除去する。

6. 2段構成

Two-stage power design with a buck to an intermediate rail and an LDO for the final output — 図5 — 降圧はバックコンバータで、クリーンな出力はLDOで。LDOが放散するのは、小さく既知の量だけになる。

例：0.5 Aで12 Vから3.3 V。バックで12→5 Vを90 %で、次にLDOで5→3.3 V。合計損失はバックで約0.18 W、LDOで0.85 W — 依然として1 Wなので、LDOには依然として銅箔が必要。中間レールを3.6 Vにし、より精度の高いバックコンバータにすると、LDOの損失は0.15 Wになる。

中間レール	0.5 A時のLDO損失	コメント
5.0 V	0.85 W	Still needs copper
4.0 V	0.35 W	Check LDO headroom
3.6 V	0.15 W	Tight but common for 3.3 V

中間レールの電圧が低いほど、LDOの消費電力は少なくなるが、その分バックコンバータにはより高精度な制御が求められ、負荷ステップ時にLDOが確保できるヘッドルームも小さくなる。4.0 Vが通常は実用的な妥協点である。

6b. チェックリスト

確認	合格
(Vin − Vout) × I	Below 1 W for an LDO
LDO headroom	Vin − Vout above dropout at min temperature
Thermal	Tj below 100 °C at max ambient
Noise	Buck ripple acceptable, or two-stage
Enclosure	Ambient measured inside, not on the bench