LDO 회로 이해하기: 원리, 설계 팁, 응용 분야

PCB 전력 조절 전략을 설계 중이신가요? 아니면 보드용 맞춤 전원 공급 장치를 만들고 계신가요? 그렇다면 컴포넌트에 전송할 전력을 제어하는 최적의 방법을 고민해야 합니다. 특히 고속 디지털 시스템을 다룰 때 더욱 그렇습니다. 전원 소스가 중요할까요? 라인 전압이나 배터리에서 전력을 가져오든, 입력 전력을 시스템에 가장 적합한 수준으로 제어하는 것이 중요합니다. 예를 들어 배터리 전원을 사용한다면 LDO 회로가 이상적입니다. 리니어 레귤레이터가 적절한 전압을 제공하고, 입력 전압에서 더 낮은 안정된 전압을 출력하기 때문입니다.

LDO의 요소, 동작 원리, 응용 분야 등을 더 자세히 다뤄보겠습니다.

시작해 봅시다!

LDO란?

LDO는 Low Dropout(저강하)의 약자입니다. 포화형 또는 저손실 타입의 리니어 레귤레이터라고도 부릅니다. 입력과 출력 전압 공급 간의 낮은 PD(잠재 차이)에서 동작합니다.

LDO 레귤레이터는 선호 출력 전압보다 약간 큰 입력 전압만 받을 수 있습니다. 이 소자는 가변 입력 전압을 가진 스텝다운 DC-DC 컨버터이기 때문입니다. 드롭아웃 전압은 입력과 선호 출력 전압 또는 전원 입력 간의 최소 차이를 의미합니다.

장치의 낮은 전력 효율에도 불구하고, ~1V의 낮은 드롭아웃 전압으로 안정적으로 동작할 수 있습니다. 리니어 전압 레귤레이터는 안정적이고 일정한 출력으로 다양한 전압 레벨도 제공할 수 있습니다.

LDO 출력 전압은 배터리 방전, 온도, 전력 손실, 부하 임피던스와 무관합니다. 예: 리튬 이온 배터리의 입력 전원 범위는 2.7V~4.2V입니다. 2.7V는 완전 방전, 4.2V는 완전 충전 상태입니다. 배터리 전압이 3V 미만으로 떨어져도 LDO는 출력을 2.5V로 유지할 수 있습니다.

LDO 레귤레이터의 구성 요소

LDO의 요소 또는 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다:

에러 앰프(Error Amplifier)

회로도의 에러 앰프

출처: 위키미디어 커먼즈

LDO의 에러 앰프를 설계할 때는 가능한 최저 전류를 소모하도록 하는 것이 중요합니다. 패스 트랜지스터의 게이트 커패시턴스가 크기 때문입니다. 따라서 앰프의 출력 저항은 매우 낮아야 합니다.

에러 앰프는 두 입력을 가집니다. 첫 번째는 전압 분배기가 출력 전압을 낮춰 스케일링한 것입니다. 두 번째는 기준 전압입니다. 두 입력을 비교한 후 에러 앰프는 패스 소자의 저항을 수정합니다.

패스 소자(Pass Element)

회로도의 패스 소자

출처: 위키미디어 커먼즈

에러 앰프가 피드백 루프 내부의 패스 소자를 구동합니다. 패스 소자는 입력에서 부하로 전압을 이동시키는 역할을 합니다. NMOS와 PMOS를 패스 소자로 사용할 수 있습니다.

회로를 자세히 보면 V_o(s)가 V_1(s)에 연결됩니다. PMOS 트랜지스터는 올바르게 조절하기 위해 최소 전압이 필요하며 포화 상태를 유지합니다.

최소 드레인-소스 전압 V_2(s)가 최소 전압을 제공합니다. 하지만 PMOS 패스 소자는 극저전압 소자에 적합하지 않다는 점을 유의하세요.

NMOS 트랜지스터로 낮은 드롭아웃 전압, 출력, 입력을 얻을 수 있습니다. NMOS 기반 패스 소자 LDO의 이점은 레귤레이터 출력이 트랜지스터 소스에 위치한다는 점입니다. 또한 NMOS가 소스 팔로워 구성으로 진입합니다.

전압 기준(Voltage Reference)

이 요소는 모든 레귤레이터의 시작점으로 에러 앰프의 동작 점을 설정합니다. 저전압에서 동작을 허용하는 밴드갭 타입 전압 기준을 사용할 수 있습니다.

출력 커패시터(Output Capacitor)

강력한 출력 커패시터

출처: 위키미디어 커먼즈

부하 과도 현상 발생 시 출력 커패시터가 LDO로 하여금 부하 내부로 전류를 이동시키고 에러 앰프를 설정하게 합니다.

커패시터의 ESR은 커패시터에서 부하로 이동하는 전압 흐름을 제한하는 데 큰 역할을 합니다. 1μF 커패시터에 ESR 범위(10~300mΩ)가 있다면 다음 커패시터 타입을 사용할 수 있습니다:

• 저 ESR 탄탈륨 커패시터
• 세라믹 커패시터
• 폴리머 전해 커패시터

피드백(Feedback)

이 요소는 출력 전압을 스케일 다운하는 데 도움을 줍니다. 또한 에러 앰프를 사용하여 기준 전압과 출력 전압 비교를 허용합니다.

LDO의 특징

1. 저잡음 레귤레이터로 안정된 전압을 출력합니다. 입력 전압 변화의 영향 없이 이를 수행합니다. 따라서 노이즈에 민감한 장치에 전압 공급용으로 완벽합니다.
2. 외부 부품(저항 또는 커패시터)이 필요합니다.
3. 시스템을 과열로부터 보호하는 전류 제한 기능이 있습니다.
4. 출력 방전 회로가 있어 빠르게 방전하고 출력 단자 전압을 IC GND 근처로 떨어뜨립니다.
5. 열 차단 기능이 있어 파괴와 열화를 방지합니다.

LDO는 어떻게 작동하는가?

LDO 전압 레귤레이터 회로도

LDO의 주요 구성 요소는 기준 전압 소스, 패스 소자, 에러 앰프입니다. 패스 소자는 P채널 FET 또는 N채널입니다. 입력 전압을 패스 소자(N채널 트랜지스터)에 적용하는 것으로 시작합니다.

트랜지스터가 선형 영역에서 동작하여 입력 전압을 낮춥니다. 이 과정은 입력 전압이 선호 출력 전압에 도달할 때까지 계속됩니다. 이 시점에서 에러 앰프가 결과 출력 전압을 인식합니다. 이후 에러 앰프가 두 파라미터(출력 전압과 기준 전압)를 비교합니다.

에러 앰프가 FET 게이트를 올바른 동작 점으로 변경합니다. 결과적으로 출력이 정확한 전압을 갖도록 돕습니다. 따라서 입력 전압이 변할 때 에러 앰프가 FET를 조정하여 일정한 출력 전압을 유지합니다.

동작 조건이 정상 상태이면 어떻게 될까요? LDO는 단순 저항처럼 작동합니다. Enable 핀으로 레귤레이터를 켜고 끌 수 있습니다. 이 기능은 LDO를 사용하지 않을 때 배터리 사용을 피하는 데 도움이 됩니다.

언제 LDO를 사용하는가?

1. 넓은 입력 전압 범위가 있다면 LDO가 이상적입니다. 하지만 전원 공급에서 안정된 전압 출력을 얻는 것을 고려해야 합니다. 피드백 루프의 PWM 신호를 조정할 필요가 없습니다. 구성 요소가 스위칭 소자로 피드백을 필요로 하지 않기 때문입니다.
2. 입력 전압 강하와 관계없이 시스템에 일정한 출력 전력이 필요할 때 LDO를 사용할 수 있습니다.
3. 출력을 선호 출력 전압에 맞춰 낮추는 데도 LDO가 유용합니다.

기타 고급 LDO 회로

고급 LDO는 사용자 선택 가능한 기준 전압을 제공하는 것을 목표로 합니다. 이 기능으로 장치를 프로그래밍 가능하게 만듭니다.

일반적으로 LDO는 션트 커패시터 덕분에 고주파를 그라운드로 바이패스합니다. 하지만 회로 설계자는 멀티 스테이지 레귤레이터의 출력 필터링에 더 주의를 기울입니다. 슬프게도 입력 필터링에는 집중하지 않습니다.

따라서 EMI 필터로 LDO를 강화할 수 있습니다. 그러면 장치가 EMC/CISPR 준수가 됩니다. 이 기능은 스위칭 레귤레이터로 고차 고조파를 생성하는 데 중요합니다.

또한 아날로그와 디지털 시스템의 전력 분배 개선을 위해 다른 필요한 측면을 추가할 수 있습니다.

LDO 선택 시 중요한 파라미터

LDO 선택 전 고려해야 할 중요한 파라미터:

부하 조절(Load Regulation)

이 파라미터는 다양한 부하 조건에서 특정 출력 전압을 유지하는 회로 능력을 의미합니다.

부하 조절 = ∆Vout / ∆Iout

휴지 전류(Quiescent Current)

휴지(Quiescent)는 휴면 상태입니다. 따라서 휴지 전류는 대기 모드에서 시스템이 소모하는 전류입니다. 배터리가 장치에 연결될 때만 발생합니다.

과도 응답(Transient Response)

과도 응답은 부하 전류 계단 변화에 대한 최대 허용 출력 전압 차이를 설명합니다. 라인 스텝 응답이라고도 부릅니다. 이 파라미터는 다음의 함수입니다:

최대 부하 전류 (I_{out max})

출력 커패시터 ESR

출력 커패시터 값 (C_out)

바이패스 커패시터 (C_b)

과도 응답 방정식:

∆Vtr, max = (Iout, max / Cout + Cb) ∆t1 + ∆VESR

라인 조절(Line Regulation)

라인 조절은 다양한 입력 전압에서 특정 출력 전압을 유지하는 회로 능력입니다. 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

라인 조절 = ∆Vout / ∆Vin

PSRR (전원 제거 비, Power Supply Rejection Ratio)

LDO의 PSSR은 장치가 AC 성분을 제거할 수 있는 능력입니다. 대표적인 AC 성분은 리플 전압입니다. 다음 방정식으로 표현할 수 있습니다:

PSRR (dB) = 20 log (Vripple (in) / Vripple (out))

LDO 회로의 응용 분야

LDO 회로는 다음 응용 분야에서 사용됩니다:

• 고효율 리니어 전원 공급 장치
• 컴퓨터
• SMPS 후단 레귤레이터 및 DC/DC 모듈
• 무선 및 유선 통신
• 자동차 응용
• 배터리 구동 장치
• VPP 조절 / PCMCIA VCC
• 산업 응용
• 디지털 코어 전원 공급

마무리

LDO 회로는 전자 산업에서 중요한 역할을 합니다. 대부분의 전원 공급 장치가 선호 전압을 얻기 위해 리니어 레귤레이터를 필요로 하기 때문입니다. 입력 전압 강하와 관계없이 일정한 출력 전력이 필요한 프로젝트에 이상적입니다.

회로도를 참조하여 주요 구성 요소를 이해해 보세요. LDO 레귤레이터에 대한 여러분의 생각은 어떠신가요? 더 많은 정보를 원하시면 언제든 연락 주세요.