電子工作やボード設計で必ず出てくる「5Vから3.3Vを作る」という場面。三端子レギュレータ(LDO)を挿して終わり、にしがちですが、そのときLDOが電力の34%を熱として捨てていることは意外と意識されません。LDOと降圧DC-DCコンバータの使い分けを、計算で確認します。
先に結論
- LDOの効率は Vout ÷ Vin で確定する。回路の工夫では改善できない
- 5V→3.3Vなら34%が熱。12V→3.3Vなら72.5%が熱になる
- 5V→3.3Vの1AはSOT-223でギリギリ、12V→3.3Vは小型パッケージでは成立しない
- ただし3.7V→3.3VならDC-DCにしても電池寿命はほぼ変わらない(後述の計算)
- μAオーダーの待機が長い機器では、LDOのほうが電池が3倍持つケースがある
LDOの効率は「電圧比」で決まる
LDO(リニアレギュレータ)は、余分な電圧を内部の素子で熱に変えて落とす仕組みです。入出力の電流はほぼ同じなので、効率は原理的にこうなります:
η(LDO) ≒ Vout / Vin (自己消費電流を無視した理想値)
つまり回路の工夫では改善できず、電圧の組み合わせを決めた瞬間に効率が確定します。ここがスイッチング方式との決定的な違いです。
| 変換 | LDO効率(理想) | 捨てる電力の割合 | 典型的な用途 |
|---|---|---|---|
| 3.7V(Li-ion)→ 3.3V | 89% | 11% | 電池駆動機器 |
| 5V → 3.3V | 66% | 34% | USB給電・Arduino系 |
| 9V → 3.3V | 36.7% | 63.3% | 006P電池 |
| 12V → 3.3V | 27.5% | 72.5% | 車載・産業機器 |
| 24V → 3.3V | 13.7% | 86.3% | FA機器 |
「効率が悪い」の実害は発熱で見る
効率の数字だけではピンと来ないので、発熱に換算します。5V→3.3Vで1A流す場合:
P(損失) = (Vin − Vout) × I = (5 − 3.3) × 1 = 1.7W
この1.7Wを、よくあるSOT-223パッケージ(熱抵抗θJA≒60℃/W前後、基板条件による)で処理すると、温度上昇は計算上約100℃。周囲温度25℃でもジャンクションは125℃近くに達し、定格ぎりぎりです。つまり5V→3.3V・1AはLDOにとって「動くけれど設計としては崖っぷち」の領域で、12V入力に至っては小型パッケージでは物理的に成立しません。
熱抵抗θJAとθJCの違いを押さえる
データシートには2種類の熱抵抗が載っています。これを取り違えると計算が丸ごとずれます。
| 記号 | 意味 | 使いどころ |
|---|---|---|
| θJA (θJ-A) | ジャンクション→周囲空気 | 放熱器なしで基板に実装する場合。今回の計算はこちら |
| θJC (θJ-C) | ジャンクション→パッケージ表面(ケース) | 放熱器を付ける場合。θJC + θCS + θSA で合計する |
注意すべきは、θJAが基板の銅箔面積で大きく変わることです。データシートのθJAは「JEDEC規定の測定基板」での値で、実際のあなたの基板とは一致しません。銅箔をケチると実測は容易に1.5〜2倍悪化します。ここは必ず使用するデバイスのデータシートで確認してください。
放熱器なしで流せる電流の早見表
ジャンクション温度の上限を125℃、周囲温度25℃(=許容温度上昇100℃)としたときの、放熱器なしで流せる最大電流を計算しました。
P(許容) = ΔT(100℃) ÷ θJA I(最大) = P(許容) ÷ (Vin − Vout)
| パッケージ (θJA目安) | 許容損失 | 3.7V→3.3V | 5V→3.3V | 12V→3.3V |
|---|---|---|---|---|
| SOT-23-5 (250℃/W) | 0.40W | 1.00 A | 0.24 A | 0.046 A |
| SOT-89 (140℃/W) | 0.71W | 1.79 A | 0.42 A | 0.082 A |
| SOT-223 (60℃/W) | 1.67W | 4.17 A | 0.98 A | 0.19 A |
| TO-252/DPAK (50℃/W) | 2.00W | 5.00 A | 1.18 A | 0.23 A |
| TO-220 放熱器なし (62℃/W) | 1.61W | 4.03 A | 0.95 A | 0.19 A |
| TO-220 + 放熱器 (合計10℃/W) | 10.0W | 25.0 A ※ | 5.88 A ※ | 1.15 A |
※ 素子自体の定格電流が先に効くため、実際にはデバイスの最大出力電流で頭打ちになります。
※ θJAはパッケージの代表値です。実設計では必ずデータシートの値と、自分の基板の銅箔条件で再計算してください。
※ 周囲温度が25℃より高い環境(筐体内など)では、その分ΔTが減るので許容電流も下がります。40℃環境なら上表の85%程度が目安です。
この表から読み取れる要点は3つです。
- 5V→3.3Vで「1A欲しい」なら、SOT-23やSOT-89は選択肢にならない。0.24Aや0.42Aで頭打ちになる
- 12V→3.3Vは、TO-220に放熱器を付けても1.15A。LDOで扱う領域ではない
- 3.7V→3.3Vなら小さいパッケージでも1A流せる。電圧差が小さければLDOは十分実用的
ではDC-DC一択なのか?——LDOが勝つ場面
降圧DC-DC(スイッチングレギュレータ)はエネルギーをインダクタに蓄えて移し替える方式で、効率は実用品で85〜95%程度、入力電圧にほぼ依存しません。それでもLDOが選ばれ続けるのには理由があります:
| 観点 | LDO | 降圧DC-DC |
|---|---|---|
| 効率 | Vout/Vinで確定(電圧差が小さいときのみ良好) | ◎ 85〜95%、電圧差に鈍感 |
| ノイズ | ◎ スイッチングノイズなし。アナログ・RF・ADCの電源に最適 | スイッチング周波数のリップルが乗る |
| 部品点数・コスト | ◎ 本体+コンデンサ2個 | インダクタ+ダイオード等が必要、レイアウト設計も効く |
| 軽負荷(μA級待機) | ◎ 自己消費の小さい品種が豊富 | 軽負荷効率が落ちる品種がある |
| 応答速度 | ◎ 負荷変動への追従が速い | 制御ループの帯域に律速される |
| 基板面積 | ◎ 小さい | インダクタの体積が効く |
実務の定石は「大きく落とすのはDC-DC、最後の仕上げはLDO」の2段構成です。例えば12V→3.6VをDC-DCで落とし(効率90%)、3.6V→3.3Vの最終段をLDOで受ける構成にすると、全体効率は次のようになります。
2段構成: 0.90 × (3.3 ÷ 3.6) = 0.825 → 約83% LDO単独: 3.3 ÷ 12 = 0.275 → 約28%
効率は3倍、発熱は約1/8。そのうえ最終段がLDOなので、DC-DCのスイッチングノイズも落とせます。ADCやRFを載せる基板でこの構成が定番になっているのは、効率とノイズを同時に取れるからです。
電池駆動での実害を計算する
発熱よりも切実なのが電池の持ちです。3つのケースで計算しました。
ケース1:Li-ion 1セル(3.7V / 2000mAh = 7.4Wh)から3.3V・200mAを取る
| 方式 | 効率 | 電池側の消費電力 | 連続駆動時間 |
|---|---|---|---|
| LDO | 89% | 0.74 W | 約10.0時間 |
| DC-DC (90%) | 90% | 0.73 W | 約10.1時間 |
差はわずか1%。 ここが見落とされがちな点で、リチウムイオン1セルから3.3Vを作る場合、DC-DCに置き換えても電池寿命はほとんど改善しません。部品点数とノイズを考えれば、LDOのほうが合理的です。
ケース2:12V(2000mAh = 24Wh)から3.3V・200mAを取る
| 方式 | 効率 | 電池側の消費電力 | 連続駆動時間 |
|---|---|---|---|
| LDO | 27.5% | 2.40 W | 約10.0時間 |
| DC-DC (90%) | 90% | 0.73 W | 約32.7時間 |
3.3倍の差。 電圧差が大きいときは、DC-DCにする価値が明確に出ます。ケース1とケース2で結論が正反対になるのが、この問題の本質です。
ケース3:待機時間が支配的なセンサノード
1時間に1秒だけ50mAで動作し、残り3599秒はMCUが10μAでスリープする機器を考えます。レギュレータ自身の自己消費電流(Iq)を、LDOは1μA、DC-DCは50μAとします。
LDO : (50mA×1s + 0.011mA×3599s) ÷ 3600s ≒ 24.9 μA DC-DC : (55.6mA×1s + 0.060mA×3599s) ÷ 3600s ≒ 75.4 μA
| 方式 | 平均消費電流 | 2000mAh電池での寿命(計算値) |
|---|---|---|
| LDO (Iq=1μA) | 24.9 μA | 約9.2年 |
| DC-DC (Iq=50μA) | 75.4 μA | 約3.0年 |
効率の良いはずのDC-DCのほうが、電池寿命は1/3になりました。 動作時間が短く待機が支配的な機器では、変換効率よりも自己消費電流のほうが効くためです。なお実際には電池の自己放電が効いてくるので、9.2年がそのまま出るわけではありません。それでも「軽負荷ならLDOが有利」という順序は変わりません。
選定の判断フロー
ここまでの計算を、判断手順に落とします。
- 損失を計算する — P = (Vin − Vout) × I(最大)
- 許容損失と比べる — P(許容) = (Tj最大 − 周囲温度) ÷ θJA
P > P(許容) なら、その時点でLDO単独は不可 - 電池駆動か確認する — 電圧差が大きい(効率50%未満)ならDC-DCへ
- 待機が支配的か確認する — Yesなら自己消費電流で選ぶ。LDOが有利になりやすい
- ノイズに敏感な負荷があるか — ADC・RF・オーディオがあるなら、DC-DC + LDOの2段構成を検討
よくある誤解
「低ドロップアウト(LDO)だから効率が良い」——違います
「Low Drop-Out」が指すのは入出力電圧差をどこまで詰められるかであって、効率そのものではありません。ドロップアウト電圧0.1VのLDOでも、12V入力で3.3Vを作れば効率は27.5%です。低ドロップアウト品の価値は、電池が消耗してVinが下がっても出力を維持できる点にあります。
「放熱器を付ければ解決する」——電池駆動では解決しません
放熱器が解決するのは温度の問題だけで、捨てている電力量は1Wも減りません。コンセント給電なら発熱対策だけで済みますが、電池駆動では放熱器は無意味です。
「効率が良いほうが常に正しい」——ケース3が反例です
変換効率は「動作中」の指標です。動作時間が全体の0.03%しかない機器では、支配的なのは待機電流のほうでした。何が支配的かを先に決めてから、指標を選ぶのが順序です。
まとめ
- LDOの効率は Vout ÷ Vin。5V→3.3Vで34%、12V→3.3Vで72.5%が熱になる
- 放熱器なしの許容電流は、5V→3.3VでSOT-23なら0.24A、SOT-223でも0.98Aが上限
- 12V→3.3VはLDO単独では成立しない。DC-DC + LDOの2段構成で効率28%→83%
- ただし3.7V→3.3VはDC-DCにしても電池寿命がほぼ変わらない(差1%)
- 待機が支配的な機器では、自己消費電流の小さいLDOのほうが電池が3倍持つ
「LDOは効率が悪いからDC-DC」と一般化せず、電圧差・電流・待機比率の3つを見て決めるのが正解でした。
本記事の数値はすべて計算値です。熱抵抗θJAはパッケージの代表値を用いており、実際の基板条件で変動します。設計時は必ず使用するデバイスのデータシートの値で再計算してください。
