LDO에 대한 기본 정보와 휴대용 장치 및 웨어러블 장치의 배터리 수명을 연장하기 위해 LDO를 적용하는 방법

현대의 전자 장치들은 점점 더 작아지고 휴대성도 더 좋아지고 있습니다. 스마트워치, 피트니스 트래커, 보안 시스템 및 사물 인터넷(IoT) 장치는 점점 더 배터리 구동 방식으로 되어가고 있습니다. 그러므로 장치가 더 오래 작동하도록 유지하려면 충전할때마다 마지막 밀리와트까지 전력을 짜내는 고효율 전력 조정기가 필요합니다. 또한 이러한 장치는 온도 상승을 최소한으로 유지하며 작동해야 합니다. 기존의 선형 조정기 및 스위치 모드 전력 조정기로는 이러한 휴대용 장치에 필요한 효율성을 달성하기 어렵습니다. 게다가 스위치 모드 전력 조정기는 잡음 및 과도 상태 전압으로 인한 어려움이 있습니다.

선형 및 스위칭 전력 조정기 제품군에 가장 최근에 추가된 저드롭아웃 전압 조정기(LDO)는 조정기 전반에서 매우 낮은 전압 강하로 작동하여 효율성을 향상하고 열 방출을 낮춥니다. 다양한 형태의 LDO는 3mm × 3mm x 0.6mm만큼이나 작은 패키지로 제공될 수 있는 중저전력 응용 제품에 매우 적합합니다. 고정 또는 가변 출력 전압이 있는 버전이 있고, 또한 출력 활성화 라인을 통해 온-오프 제어가 가능한 버전도 있습니다.

이 기사에서는 저드롭아웃 조정기에 대한 기본 정보와 주요 특성을 기존 선형 및 스위치 모드 전력 조정기와 비교하여 살펴봅니다. 그런 다음 Diodes Incorporated의 실제 LDO 장치를 소개하고 이 장치가 어떻게 적용되는지 보여줍니다.

LDO 조정기란 무엇인가요?

전압 조정기의 기능은 부하 및 소스 전압의 변화가 있을 때 일정한 출력 전압을 유지하는 것입니다. 기존의 전압 조정기 회로는 선형 설계 또는 스위치 모드 설계를 사용합니다. LDO 조정기는 선형 조정기의 일종이지만, 입력 단자와 출력 단자 사이에서 매우 낮은 전압으로 작동합니다. 모든 선형 전압 조정기와 마찬가지로, LDO는 피드백 제어 루프를 기반으로 합니다(그림 1).

그림 1: LDO 조정기는 전압 제어 피드백 회로를 기반으로 합니다. PMOS, NMOS 또는 PNP 양극 트랜지스터가 될 수 있는 직렬 패스 장치는 전압 제어 저항기와 같은 역할을 합니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

LDO 조정기는 출력 전압 수준을 나누는 저항 전압 분배기를 통해 출력 전압을 감지합니다. 나누어진 출력 전압은 오류 증폭기를 통과하며, 여기에서 기준 전압과 비교됩니다. 오류 증폭기는 직렬 패스 장치를 구동하여 출력 단자에서 원하는 전압을 유지합니다. 드롭아웃 전압은 입력 전압과 출력 전압의 차이를 의미하며, 이는 패스 장치 전반에 걸쳐 나타납니다.

LDO에서 직렬 패스 장치는 전압 가변 저항기처럼 작동합니다. 직렬 패스 장치는 P채널 금속 산화물 반도체(PMOS), N채널 금속 산화물 반도체(NMOS) 또는 PNP 양극 트랜지스터일 수 있습니다. PMOS 및 PNP 장치는 포화 상태까지 구동되어, 드롭아웃 전압을 최소화할 수 있습니다. PMOS 전계 효과 트랜지스터(FET)의 경우, 드롭아웃 전압은 채널 ON 저항(R_DSON)에 출력 전류를 곱한 값에 가깝습니다. 이러한 각 장치는 장단점이 있지만 PMOS 장치가 구현 비용이 가장 낮은 것으로 입증되었습니다. Diodes Incorporated AP7361EA 계열의 포지티브 출력 LDO 조정기는 PMOS 패스 장치를 사용하고 1A의 부하 전류에서 3.3V 출력에 대해 약 360mV의 드롭아웃 전압을 달성하며, 전압 정확도는 ±1%입니다(그림 2).

그림 2: AP7361EA 계열 3.3V LDO의 드롭아웃 전압 플롯을 세 가지 다른 온도에서 출력 전류의 함수로 나타낸 그림입니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

드롭아웃 전압의 플롯은 출력 전류의 함수로서 각 온도에 대한 일정한 기울기를 보여주며, 저항 특성을 나타냅니다. 드롭아웃 전압은 다소 온도에 영향을 받아, 온도가 증가함에 따라 전압 수준 증가를 보입니다. LDO 드롭아웃 전압은 기존의 선형 전력 조정기의 약 2V의 드롭아웃 전압보다 훨씬 낮다는 점에 주목하십시오.

그림 1의 출력 커패시터는 조정기의 안정성에 영향을 미치는 고유한 유효 직렬 저항(ESR)을 가지고 있습니다. 선택된 커패시터가 -40°C ~ +85°C의 전체 작동 온도에서 그 안정성이 보장되려면 ESR이 10옴(Ω) 미만이어야 합니다. 이에 적합한 커패시터 유형에는 다층 세라믹 커패시터(MLCC), 솔리드 스테이트 E-CAP 및 2.2mF 이상의 값을 갖는 탄탈룸 커패시터가 있습니다.

정동작 전류, I_Q는 무부하 LDO가 전원에서 끌어온 전류를 나타냅니다. 정동작 전류는 오류 증폭기 및 출력 전압 분배기와 같은 LDO 내부 회로에 전력을 공급합니다. 배터리 구동식 장치에서 정동작 전류는 배터리의 방전 속도에 영향을 미치며 일반적으로 가능한 한 가장 낮게 설계됩니다. Diodes Incorporated의 AP7361EA 계열은 68mA의 통상 I_Q를 갖습니다.

AP7361EA 계열 LDO

AP7361EA 계열은 그림 3과 같이 세 가지 대체 회로 구성을 포함합니다.

그림 3: AP7361EA 계열은 활성화 제어 가능/불가능, 고정/가변 출력 전압 장치를 제공합니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

AP7361EA 계열에는 고정 또는 가변 출력 전압이 있는 버전이 포함됩니다. 고정 전압 버전에는 내부 전압 분배기가 있으며 1.0V, 1.2V, 1.5V, 1.8V, 2.5V, 2.8V 또는 3.3V의 출력 전압 수준을 제공합니다. 가변 출력 장치는 사용자 제공 외부 전압 분배기가 필요하며 출력 전압 범위는 0.8V ~ 5V입니다. 모든 버전의 출력 전압 정확도 사양은 ±1%이며 입력 전압 범위는 2.2V ~ 6V입니다.

고정 또는 가변 버전은 활성화 제어 회선(EN)을 포함할 수 있습니다. AP7361EA는 EN 핀을 높게 설정하면 켜지고 낮게 잡아당기면 꺼집니다. 이 기능을 사용하지 않을 경우, EN 핀을 입력 핀(IN)에 연결하여 조정기 출력을 항상 켜 두어야 합니다. 활성화 회선의 응답 시간은 켜기의 경우 대략 200ms, 끄기의 경우 약 50ms입니다.

AP7361EA 장치 간의 또 다른 중요한 차이점은 물리적 패키지입니다. U-DFN3030-8(유형 E), SOT89-5, SOT223, TO252(DPAK) 및 SO-8EP 패키지로 제공됩니다.

고정형 (AP7361EA-33DR-13, AP7361EA-10ER-13) 및 가변형 (AP7361EA-FGE-7, AP7361EA-13R-13 버전을 포함한 AP7361EA 제품의 몇 가지 예시가 표 1에 비교되어 있습니다.

표 1: AP7361EA 고정 전압 및 가변 전압 구성의 샘플입니다. (표 출처: Art Pini, Diodes Inc.의 데이터 사용)

AP7361EA 계열 장치는 단락 및 과전류로부터 모두 보호됩니다. 단락 회로 및 과전류 보호 기능은 출력 전류가 전류 제한(통상 1.5A)을 초과하는 경우 400mA의 폴드백 전류 제한을 제공합니다. 장치의 접합 온도가 공칭 150°C로 증가하면 과열 시 전원 차단이 발생하고, 약 130°C 이하로 떨어지면 작동이 복원됩니다.

부하 및 회선 조정

부하 조정은 출력 부하 전류의 변화에도 불구하고 출력 전압을 유지하는 LDO의 능력을 말합니다. 이는 배터리 구동식 휴대용 장치에서 흔히 컨트롤러가 사용되지 않는 상태의 하위 시스템을 종료시키는 상황에서 중요합니다. AP7361EA LDO 계열은 1V ~ 1.2V의 출력 수준에 대해 1.5%, 1.2V ~ 3.3V의 출력에 대해 1%의 최대 지정된 부하 조정 기능이 있습니다(그림 4).

그림 4: 3.3V 출력에 대한 부하 조정 그래프의 예. 최대 출력 변동은 대략 0.15%이며, 이는 3.3V 공칭 출력에 대해 100mA에서 500mA로의 부하 변경에서 약 5.0mV를 의미합니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

부하 조정은 최대 출력 전압 변동 대 공칭 출력 전압의 비율로 계산됩니다. 위의 예에서 100mA에서 500mA로의 부하 변경에서 최대 출력 변동은 약 5.0mV입니다. 따라서 부하 조정은 0.005/3.3 또는 0.15%입니다.

회선 변동은 출력 볼트당 소스 전압의 변화에 ​​대한 출력 변동을 지정합니다. AP7361EA 계열의 최대 회선 조정 사양은 실온에서 0.1%/V, 전체 온도 범위에서 0.2%/V입니다. 3.3V 출력의 경우, 1V의 입력 수준 변화는 공칭 3.3V 출력의 0.33% 미만의 출력 수준 변화를 갖습니다(그림 5).

그림 5: 3.3V 출력으로 작동하는 AP7361EA에 대한 회선 조정 그래프입니다. 입력 전압이 4.3V에서 5.3V로 변경되면 출력 전압은 0.05%만큼 변경됩니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

그림 5는 LDO의 회선 조정 특성을 보여줍니다. 소스 전압이 4.3V에서 5.3V로 변경되면 출력 수준이 0.05% 변화하며, 이는 약 1.65mV의 변화를 의미합니다.

회선 및 부하 변동 두 조건 모두에서, 출력 전압은 과도 전압 발생으로부터 빠른 복구 능력을 보여줍니다. 이는 전원 버스가 켜져 있어야 하고 무음 회로가 다시 시작되기 전에 작동해야 하는 휴대용 장치에서 프로세스를 재시작할 때 중요합니다.

전력 공급 제거율

선형 회로인 LDO는 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)나 전력 변환기보다 잡음 발생이 훨씬 적습니다. 많은 응용 제품에서 LDO는 회로 기판에서 로컬로 사용되지만 전원은 SMPS입니다. LDO 내의 제어 시스템으로 인해, 입력 전원으로부터 잡음과 리플을 억제하는 경향이 있습니다. 이 잡음 억제의 척도는 전원 공급 제거율(PSRR) 입니다(그림 6).

그림 6: PSRR은 LDO의 입출력 시 측정되는 교류 신호를 기반으로 계산됩니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

PSRR은 그림 6과 같이 입력에서 AC 성분과 출력에서 AC 성분의 비율을 기반으로 계산됩니다. AP7361EA 계열의 PSRR은 주파수에 따라 달라지며, 주파수가 증가하면 PSRR은 감소합니다. PSRR은 1kHz에서 75dB이고 10kHz의 주파수에서는 55dB로 떨어집니다. 75dB은 5600:1 이상의 감쇠를 나타냅니다. 1kHz에서 10mV 리플 또는 잡음 신호는 약 1.7µV로 감쇠됩니다.

응용 예

가변 출력 LDO의 통상적인 응용은 그림 7에 나와 있습니다. 여기에는 AP7361EA-SPR-13과 유사한 출력 활성화와 외부 출력 전압 분배기가 포함되어 있습니다.

그림 7: 외부 출력 전압 분배기가 필요한 가변 출력 LDO의 사용 예 방정식(오른쪽 아래)은 원하는 출력 전압에 대한 저항기 R1과 R2와 내부 기준 전압 사이의 관계를 보여줍니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

저항기 분배기의 저항값은 그림 7의 오른쪽 하단에 표시된 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다. 내부 전압 기준의 안정성을 보장하려면 R2 값을 80kΩ 미만으로 유지해야 합니다. 기준 전압이 0.8V이고 R2가 61.9kΩ인 2.4V 출력의 경우 R1의 값은 123.8kΩ으로 계산됩니다. 124kΩ인 경우, 1% 저항기가 적합합니다.

결론

LDO는 입력과 출력에 걸쳐 낮은 전압 차이와 낮은 정동작 전류로 작동하는 선형 전압 조정기입니다. 저잡음 및 작은 크기로 높은 전력 효율을 제공합니다. 이는 배터리 구동식 휴대용 장치에 특히 적합하며, 배터리 수명을 연장하고 신뢰성을 향상합니다.