선형 조정기의 장점과 단점 이해

설계자는 스위칭 DC/DC 컨버터의 효율을 잘 알고 있지만, 여러 응용 분야에서 최선의 선택은 여전히 선형 조정기입니다. 그 이유를 이해하면 설계자가 올바른 선택을 내리고 제대로 구현하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 기사에서는 선형 조정기와 스위칭 조정기를 비교하고 효율과 함께 단순성, 저비용, 안정성 등과 같은 요소를 어떻게 적절히 고려해야 하는지 보여줍니다.

스위칭 조정기: 효율은 뛰어나지만 복잡함

스위칭 조정기는 매우 효율적이고 승압(부스트), 강압(벅) 및 전압 반전이 간단합니다. 최신 모듈식 칩은 콤팩트하고 안정적이며 여러 제조업체에서 제공합니다. 스위칭 조정기는 이와 같이 여러 장점이 있지만 몇 가지 단점도 있습니다(표 1).

표 1: 스위칭 및 선형 조정기의 특성 비교. (표 출처: Maxim Integrated)

먼저, 스위칭 조정기는 복잡한 칩이므로 새 제품이 제대로 작동하려면 추가적인 설계 작업이 필요할 수 있습니다. 둘째, 최신 스위칭 조정기의 통합 수준을 달성하려면 비용이 많이 들 수 있으며 칩 크기도 증가합니다. 마지막으로, 그러한 고주파 스위칭은 대개 잡음이 많습니다.

고주파 작동으로 생성된 입력 및 출력 필터에서의 전압 및 전류 리플은 스위칭 조정기를 사용하는 설계의 주된 문제일 수 있습니다. 이러한 문제를 극복할 수는 있지만 상응하는 시간과 설계 기술이 필요합니다.

선형 조정기는 스위칭 유형의 주요 약점을 모두 해결합니다. 선형 조정기는 간단하고 비용이 낮으며 적은 개수의 외부 부품이 필요하고 과도한 잡음을 생성하는 스위칭이 없습니다. 표 1에 표시된 대로 적절한 응용 분야의 경우 이러한 일반적인 장치가 좋은 선택일 수 있습니다.

벅 작동 전용

마지막 단락에서 핵심 문구는 '적절한 응용 분야'인데, 선형 조정기는 여러 설계에서 작동하지 않거나 적절한 선택이 아닐 수 있으므로 어느 정도의 절충이 필요하기 때문입니다.

예를 들어, 선형 조정기는 입력 전압을 강압('벅')할 수만 있습니다. 이런 제약 때문에 LDO에 필요한 입력 전압을 충분히 초과하기 위해 배터리를 추가하여 기본 DC 공급 전압을 늘려야 할 수 있습니다. 즉, 배터리의 완전 방전 주기 동안 안정적인 5V 출력을 확보하기 위해 공칭 전압이 각각 1V ~ 1.5V인 전지 5개를 사용해야 할 수 있습니다. 적은 수의 배터리로 작동할 수 있는 스위칭 조정기가 비싸기는 하지만 전지를 추가하는 비용이 곧 더 커질 수 있습니다. 또한 추가되는 배터리는 귀중한 공간을 차지합니다.

더욱이, 선형 조정기는 승압할 수 없다는 점도 제품에서 한 부품이 다른 모든 부품보다 높은 전압을 필요로 하는 경우에 문제가 됩니다. 마찬가지로 일부 아날로그 회로망에 네거티브 전압이 필요한 경우 선형 조정기는 포지티브 공급 반전이 불가능하므로 사용할 수 없습니다.

선형 조정기는 스위칭 장치만큼 효율적이지 않으므로 배터리가 오래 지속되지 않습니다. 더욱이, 배터리에 약간의 전하가 남아 있지만 결합된 출력이 실리콘에 필요한 최소 전압보다 낮은 경우 남은 전하를 추출할 방법이 없습니다.

반면, 스위칭 장치는 부스트 모드로 전환해서 배터리 전력을 마지막까지 사용할 수 있습니다.

벅-부스트 조정기라고 하는 이 장치는 배터리의 소스 DC가 처음에는 실제로 필요한 레일 전압보다 높지만 배터리가 방전되면서 낮아지는 경우에 매우 유용할 수 있습니다. 벅-부스트 장치는 모드 간에 원활하게 전환할 수 있으므로 배터리 출력이 출력 레일 아래로 떨어지는 경우에도 출력 레일을 원하는 값으로 유지할 수 있습니다.

초저전력 응용 분야의 경우, 스위칭 조정기의 비용을 절약하기 위해 수명 감소를 감수할 수도 있습니다. 예를 들어, 고전력을 요구하는 제품의 배터리 수명이 선형 조정기를 사용해서 12시간에서 8시간으로 떨어진다면 고객이 만족하지 않겠지만, 저전력을 요구하는 제품의 배터리 수명이 6개월에서 5개월로 줄어드는 대가로 구매 가격이 싸진다면 아마도 기꺼이 받아들일 것입니다.

선형 조정기의 고효율 영역

선형 조정기는 스위칭 컨버터나 조정기의 전체 효율에 미치지 못하지만 입력과 출력 전압 차이가 줄어들면 조정기의 효율이 높아지는 고유한 장점이 있습니다. 입력 전압이 출력 전압보다 조금만 높아도 선형 조정기의 효율이 95% ~ 99%에 이를 수 있습니다.

이러한 특성은 특정 응용 분야에서 선형 조정기의 전반적인 효율이 단순하고 간단한 비교를 통해 알려진 것보다 더 나을 수 있음을 의미할 수 있습니다. 정확한 값을 얻기 위해서는 무엇보다 제품 작동 중 배터리의 전체 방전 프로파일을 고려하고 해당 시간 동안 평균 효율을 결정해야 합니다(그림 1).

그림 1: AA 규격 알카라인 배터리(100mW 정전력 부하)를 사용하는 시스템에서 선형 조정기 효율 및 배터리 전압 비교. 전압이 떨어짐에 따라 조정기 효율이 향상됨을 알 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

완전히 충전된 배터리를 사용할 경우 효율은 약 73%이지만 방전 주기 전체의 평균 효율은 85%입니다. 이 수치를 스위칭 조정기에 해당하는 수치와 비교해야 하며, 스위칭 조정기 효율은 배터리 전압이 떨어져도 증가하지 않습니다.

다시 그림 1을 참조하면, 20시간 이후에는 배터리에 아직 일부 전하가 남아 있지만 입력 및 출력 전압의 차이가 너무 작아 장치가 전압을 조정할 수 없으며 작동을 중단함을 알 수 있습니다. 전체적으로 실제로 제품을 구동하는 데 사용된 배터리 에너지의 누적량은 다음과 같습니다.

평균 조정 효율 × 장애 전 사용된 배터리 에너지 비율 =

85% × 80% = 68%

드롭아웃 전압 용량이 낮은 IC를 선택하면 더 많은 배터리 전하가 사용되므로 효율이 향상됩니다.

'드롭아웃'이란 조정이 중단되기 직전의 입력 전압과 출력 전압 간 차이로 정의됩니다. 그림 1에 나온 예에서는 선형 조정기를 드롭아웃 전압이 3.4V에서 3.0V로 향상된 장치로 교체할 경우 배터리에서 2.5시간을 추가로 추출할 수 있고 배터리 에너지 사용률이 다음과 같이 향상됩니다.

85% × 90% = 76.5%

일부 '저드롭아웃'(LDO) 장치는 입력/출력 전압 차이가 상당히 클 수 있으므로 제조업체의 규격서를 자세히 확인해야 합니다. 즉, 배터리에 전하가 아직 많이 남아 있어도 조명이 꺼질 수 있습니다. 드롭아웃 전압은 부하 전류에 따라 달라진다는 점도 유의하십시오.

LDO 선택 및 구현

LDO를 선택하여 특정 응용 분야에서 선형 조정기의 장점을 활용하려는 설계 엔지니어는 선택 가능한 옵션이 많아 당황하기 쉽습니다. 단순해 보이는 일반적인 LDO의 규격서에도 기본 사양표 외에 20개 ~ 30개 이상의 성능 그래프가 있는 경우가 많습니다. 그러한 그래프에서는 정적 및 동적 동작뿐 아니라 다양한 작동 시나리오와 조건에서의 성능도 보여줍니다.

휴대용 응용 제품을 위한 LDO 장치 중에는 다양한 입력 및 출력 전압에 적합한 수십 가지 장치가 있습니다. 일부는 출력 전압이 고정되어 있고 일부는 사용자가 출력을 조정할 수 있으며 네거티브 출력 레일을 제공할 수 있는 장치도 있습니다. 일부 LDO는 비교적 범용적이어서 대체 소스가 있는 반면 다른 LOD는 하나 이상의 파라미터에 최적화되어 있어 특정 응용 분야를 대상으로 합니다. 아래의 몇 가지 예에서는 사용 가능한 다양한 LDO를 보여줍니다.

자동차: Maxim Integrated의 MAX16910는 200mA의 초저 정동작 전류 LDO로, 자동차 분야에 응용됩니다. 이 장치는 기본적인 성능을 제공할 뿐 아니라 자동차 환경의 매우 엄격한 요구에 적합합니다. 이 LDO는 입력에서 최대 +45V의 과도 상태를 허용하며, 자동차 '부하 덤프' 조건에서 작동할 수 있으며, -40°C ~ +125°C 자동차 온도 범위에서 작동(지정)할 수 있습니다(그림 2). 이 장치는 +3.5V ~ +30V 입력으로 작동하지만 무부하 상태에서는 20µA(마이크로암페어)의 정동작 전류만 소모하고 사용자가 제어하는 차단 모드에서는 1.6μA만 소모합니다.

그림 2: Maxim Integrated의 MAX16910은 -40°C ~ +125°C에서 완벽한 작동 및 기능을 보장해야 하는 엄격한 자동차 요구 사항을 충족하므로 주목할 만합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

네거티브 전압: 네거티브 전압용으로 설계할 경우, 단순히 '거꾸로' 연결된 컨버터를 사용하는 문제뿐 아니라 접지 레퍼런스 문제와 기타 토폴로지 문제도 있습니다. 대신 네거티브 LDO가 필요합니다. Analog Devices의 ADP7183 계열은 네거티브 입력/출력을 제공할 뿐 아니라 잡음이 아주 적습니다(그림 3).

이러한 IC는 -2.0V ~ -5.5V의 입력에서 작동하며 최대 출력 전류는 -300mA(밀리암페어)입니다. -0.5V ~ -4.5V에서 고정된 출력 전압 옵션 15개 중에서 선택하거나 -0.5V ~ -V_IN + 0.5V에서 출력을 조정할 수 있습니다. 또한 출력 잡음이 100Hz ~ 100kHz에서 4μV_RMS에 불과하며 잡음 스펙트럼 밀도가 10kHz ~ 1MHz에서 20nV/√Hz입니다. 마지막으로 일반적인 전력 공급 제거율(PSRR)은 10kHz에서 75dB, 100kHz에서 62dB, 1MHz에서 40dB입니다.

그림 3: Analog Devices의 ADP7183 계열은 실제로 매우 자주 발생하는 네거티브 소스/네거티브 출력 응용 분야에 적합합니다. 이러한 장치는 고정 출력(위의 회로도에서는 -3.3V)으로 구성하거나 사용자가 출력을 조정할 수 있습니다(아래 회로도에서는 -2.5V로 설정). (이미지 출처: Analog Devices)

고정/가변 이중 출력: 2개 이상의 LDO가 필요한 매우 일반적인 응용 분야의 경우 Texas Instruments의 LFC789D25 이중 선형 컨트롤러가 적합합니다. 이 컨트롤러에는 2.5V의 고정 출력 하나와 가변 출력 하나가 제공됩니다. 이 컨트롤러의 출력은 외부 N 채널 MOSFET을 구동하도록 설계되므로 전류가 최대 3A(통상)로 비교적 높을 수 있습니다. 이 IC는 DDR1 메모리 전압(V_DDQ) 및 V_REF 버퍼와 같은 응용 분야를 대상으로 합니다(그림 4). 해당하는 내부 참고 자료에서는 상황에 맞는 온도 보정 성능을 2%의 허용 오차 범위로 제공합니다.

그림 4: 고정 출력과 가변 출력을 하나씩 포함하는 Texas Instruments의 LFC789D25 이중 선형 컨트롤러는 DDR1 및 유사한 메모리 어레이와 같은 중요한 틈새 시장 응용 분야의 요구 사항을 충족합니다. (이미지 출처: Texas Instruments).

제로에 가까운 정동작 전류: 런타임 목표를 달성하기 위해 가용 에너지를 매우 적게 사용해야 하는 배터리 전력 공급 응용 분야에 적합한 Richtek RT9069 제품군은 2µA에 불과한 초저 정동작 전류(I_q)를 특징으로 합니다. 제공되는 활성화 핀으로 이러한 IC를 정동작 전류가 제로인 최대 절전 상태로 전환할 수 있습니다.

이러한 LDO는 3.5V ~ 36V의 넓은 입력 범위에서 작동하며 최대 200mA를 제공합니다. 2.5V, 3.3V, 5V, 9V, 12V의 고정 출력 전압으로 사용할 수 있습니다. 이 장치는 대부분의 LDO에 필요한 표준 입력 필터 커패시터 외에 세라믹 출력 커패시터를 하나만 사용하고도 전체 입력 전압 범위 및 출력 전류 범위에서 안정적으로 작동합니다(그림 5).

그림 5: Richtek RT9069 계열은 제약이 심한 배터리 전력 공급 응용 분야에서 런타임을 극대화하기 위해 설계되었으며, 정동작 전류가 2µA에 불과하고 비활성화된 상태에서는 정동작 전류가 제로입니다. (이미지 출처: Richtek Technology Corp.)

LDO 활용 극대화

LDO는 사용이 매우 간단하지만, 이 LDO의 장점을 실현하고 잠재적인 손상을 방지하려면 기본적인 지침을 준수해야 합니다. 여기에는 열 관련 문제와 패키지, 레이아웃 고려 사항, 잡음 픽업 등과 같은 실질적인 설계와 관련된 문제도 포함됩니다.

열 문제의 경우 규격서 표와 그래프에서 안전 작동 영역과 부하 경감에 대해 검토하는 것이 중요합니다(그림 6).

그림 6: LDO의 경우 안전 작동 영역은 최대 허용 가능 출력 전류 및 입출력 전압 차이의 크기와 반비례 관계가 있습니다. 또한 표준 SO-8 및 전용 8핀 µMAX 패키지 간의 차이로 알 수 있듯이 패키지 형태도 중요한 역할을 합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

부하 경감은 LDO 패키지를 비롯한 여러 변수의 함수입니다. 5핀 SOT-23 패키지는 일반적으로 전력 손실이 500mW가 넘는 반면 일부 노출형 패드 패키지는 이 값의 4배에 가깝습니다. 충분한 공기 유량 및/또는 저임피던스 열 전달 경로의 최적 설정으로 LDO를 배치하는 경우 자연 발열로 인한 부하 경감 성능을 벤더 데이터를 사용해 간단히 정의할 수 있습니다.

결론

선형 조정기는 출력이 매우 '깨끗'하고 DC 출력으로 유입되는 잡음이 적은 장점이 있지만 스위칭 컨버터보다 효율이 떨어질 수 있고 스위칭된 컨버터처럼 입력 전압을 승압할 수 없습니다.

그럼에도 불구하고 응용 분야에 따라 단순성, 비용, 특정 작동 조건에서의 효율 면에서 선형 조정기가 선호되거나 '최선'의 DC/DC 컨버터 토폴로지일 수 있습니다.

참고 자료

1. '휴대용 응용 분야에서의 선형 조정기', 응용 참고 사항 751, Maxim Integrated
2. 'LDO의 효율 이해', Texas Instruments