線形レギュレータ、スイッチングレギュレータ、およびシリーズレギュレータの違い
1.線形レギュレータとスイッチングレギュレータ
線形レギュレータは、出力電圧よりも高い入力電圧を必要とする。それは入力と出力の電圧差—ドロップアウト電圧として知られる—をその内部制御要素（トランジスタなど）のインピーダンスを変化させることで処理する。
線形レギュレータを正確な「電圧制御専門家」と考えることができる。過剰な入力電圧に直面したとき、それは必要な出力レベルを超える部分を「切り取る」ことで決定的に「行動」し、出力電圧が一定に保たれるようにする。「切り取られた」過剰な電圧は最終的に熱として放出され、安定した出力を維持する。
回路構成に関して言えば、典型的なシリーズ型線形レギュレータは誤差増幅器、基準電圧源、および通過トランジスタを使用して閉ループフィードバックシステムを形成し、リアルタイムで出力電圧を継続的に監視および修正する。
線形レギュレータには主に三端子レギュレータとLDO（Low Dropout）レギュレータがある。前者は従来のアーキテクチャを使用し、相対的に大きな入力-出力電圧差（通常≥2V）を必要とするため効率が低く、中〜高電力用途に適している。一方、LDOレギュレータは最小限のドロップアウト電圧（低くても0.1Vまで）に最適化されており、入力と出力電圧が近い状況—例えばバッテリー駆動デバイス—では理想的だが、慎重な熱設計が必要となる。
図1は線形レギュレータとスイッチングレギュレータの動作原理を示している。
一方、スイッチングレギュレータはパワー・スイッチ（MOSFETなど）の導通とオフのタイミングを制御することでエネルギー転送のデューティ比を調整する。入力電圧はそれからインダクタとコンデンサによるエネルギーストライキングとフィルタリングを通じて安定した平均出力電圧に変換される。
その核心的な特徴は「チョッパ式」規制：入力電圧は高周波数で切られ、出力に供給されるエネルギーはスイッチのデューティ比を調整することで制御される。この方法は線形レギュレータと比較して大幅に高い効率を達成する。
スイッチングレギュレータの一般的なトポロジーにはBuck（降圧）、Boost（昇圧）、その他があり、広範な入力電圧範囲をサポートし、高電力用途または入力電圧の大きな変動のある環境に適している。
図2は線形レギュレータとスイッチングレギュレータの比較を提供している。具体的なニーズに基づいて適切なタイプを選択することができる：ノイズが低いことと回路の簡素性が優先される場合は線形レギュレータを選ぶ；高効率と高電力供給が必要な場合はスイッチングレギュレータを選ぶ。
| 特性 | 線形レギュレータ | スイッチングレギュレータ |
| 効率 | 低（電圧差が大きい場合、損失も大きくなる） | 高（80%-95%） |
| 放熱要件 | ヒートシンクが必要（直接放熱される） | 低（スイッチング損失により間接的に発生する熱） |
| ノイズ | 純粋な出力、高周波リップルなし | スイッチングノイズが存在し、フィルタ最適化が必要 |
| 適用シナリオ | 低消費電力、高精度電源（例：センサー） | 高出力、広い入力電圧範囲（例：電源モジュール） |
2.直列型電圧レギュレータ
直列型電圧レギュレータは、電源と負荷の間に配置され、「正確な電圧調整の守護者」として機能します。その動作原理は、入力電圧または出力電流の変化に応じて可変抵抗器の抵抗値を動的に調整することで、出力電圧を安定した設定値に保つことです。
現代の電子技術では、直列レギュレータICはMOSFETや双極性接合トランジスタ（BJT）などのアクティブデバイスを使用して従来の可変抵抗器を優雅に置き換え、レギュレータの性能と信頼性を大幅に向上させています。
直列型電圧レギュレータの回路構成は精密で整然としており、主に以下の4つの核心的なコンポーネントから構成されています：
● 出力トランジスタ：レギュレータの入力ピンと出力ピンの間に直列に接続され、上流の電源と下流の負荷を結ぶ橋のような役割を果たします。入力電圧または出力電流に変動が生じると、エラーアンプリファイアからの信号がこのトランジスタのゲート電圧（MOSFETの場合）またはベース電流（BJTの場合）を正確に制御します。
● 参照電圧源：エラーアンプリファイアの安定した基準となる重要な役割を果たします。エラーアンプリファイアはこの固定された参照電圧に基づいて、出力トランジスタのゲートまたはベースを正確に制御し、安定した出力電圧を確保します。
● フィードバック抵抗：これらの抵抗は出力電圧を分割してフィードバック電圧を生成します。エラーアンプリファイアはこのフィードバック電圧を参照電圧と比較して、正確な出力調整を達成します。2つのフィードバック抵抗はVOUTとGNDピンの間に直列に接続され、その中点の電圧がエラーアンプリファイアに供給されます。
● エラーアンプリファイア：直列レギュレータの「知的な脳」として機能し、フィードバック電圧（フィードバック抵抗の分圧器の中点の電圧）を参照電圧と慎重に比較します。フィードバック電圧が参照電圧を下回る場合、エラーアンプリファイアはMOSFETへのドライブ強度を増加させ、そのドレイン-ソース電圧を減少させることで出力電圧を上げます。逆に、フィードバック電圧が参照電圧を超える場合、アンプリファイアはMOSFETのドライブ強度を減らし、ドレイン-ソース電圧を増加させ、それに応じて出力電圧を下げます。
本記事では、さまざまなタイプの電圧レギュレータの動作原理、機能、および回路構成についてさらに詳しく探求しました。次回の記事では、線形レギュレータの動的調整メカニズムについて説明し、3端子レギュレータとLDO（ロードロップアウト）レギュレータの違いを明確にします。
