LDO에서 벗어나 소형 스위칭 조정기로 변경할 시점은?

스위칭 조정기에 모든 주의를 기울였음에도 불구하고 여전히 제 마음속에는 저드롭아웃 조정기(LDO)가 있다는 것을 고백해야 할 것 같습니다. 그 이유는 LDO가 한 가지 작업을, 효율적으로 손쉽게 수행하며, 별다른 문제를 일으키지 않기 때문입니다. 게다가 제가 처음 사용한 전력 조정 장치가 LDO였는데 실제 회로를 제작하려고 할 때 도움이 되었습니다. 지금도 몇 볼트와 수 암페어의 전류를 사용하는 레일이 필요할 때면 스위치 조정기(소위 스위처)보다는 기본적인 3단자 LDO를 먼저 생각하게 됩니다.

LDO는 일반적으로 스위처보다 효율이 낮다고 알려졌지만, 1A 정도의 낮은 전류 레벨에서는 그 차이가 작고 특정 설계에 크게 중요하지 않을 수 있습니다. 수 암페어가 넘어가면 이 차이가 벌어져서 잡음이 매우 낮은 레일이 필요한 경우 외에는 LDO가 적합한 선택이 아닙니다. 하지만 이 경우에도 일부 스위처는 꽤 유용하며 잡음이 매우 낮습니다. 또한 일부 유형의 LDO의 경우 LDO 사이에 저옴 “블리더” 저항기를 병렬로 배치하여 전류 소모를 균등화할 수 있지만, 이 경우 레이아웃, 실장 면적, BOM 및 성능 정량화 측면에서 복잡해질 수 있습니다.

하지만 LDO는 여전히 엔지니어의 BOM에서 매우 중요한 부품입니다. 사용이 매우 간편하기 때문에 IC 또는 서브회로 근처에 우수한 조정이 필요할 때마다 설계자가 인쇄 회로 기판에 자주 사용합니다. 이렇게 하면 전력 레일 IR 강하 및 잡음 픽업이 최소화되며 전원이 부하에서 조금 더 떨어진 곳에 있을 때 나타나는 기타 현상이 최소화됩니다.

시간이 지남에 따라 변경된 사항

그럼에도 불구하고 LDO에 대한 이러한 기본적인 설계를 할 기회도 사라지는 게 아닌지 궁금해 지기 시작했습니다. 이제 캡슐화된 저전류 스위칭 조정기가 단순성, 크기, 외부 수동 소자 필요(또는 불필요) 및 전체적인 설계 간편성 측면에서 LDO에 비교할 만한 특성을 가집니다. 회로의 LDO와 이 캡슐화된 스위치의 "블랙 박스" 뷰를 비교해 보면 LDO 1A와 캡슐화된 스위처 수 암페어 간의 차이를 말하기가 쉽지 않을 것입니다.

또한 LDO는 다운 조정만 가능하지만(벅), 벅 및 부스트 스위처는 물론 두 모드 간에 자연스럽게 전환되는 벅/부스트 스위처도 있습니다. 많은 회로는 단일 리튬 이온 전지로 작동하며 배터리를 완전 충전에서 방전까지 조정하기 위해 벅/부스트 모드가 필요하기 때문에 이는 중요한 기능입니다.

예제 보기

Analog Devices의 스위처 µModule 조정기인 LTM8074(LTM8074EY#PBF)를 예로 들겠습니다(그림 1). 이 조정기는 넓은 입력 전압 범위(3.2V ~ 40V) 및 넓은 출력 전압 범위(0.8V ~ 12V)와 1.2A 연속 전류(24V 입력 및 5V 출력 기준)를 제공하며 3.3V 출력에서 1.75A 피크 출력 전류에 도달합니다. 하지만 실제로 제 관심을 끈 것은 작은 크기입니다. 이는 BGA 장치로 크기가 4mm × 4mm × 1.82mm에 불과합니다.

그림 1: LTM8074는 모듈 및 전체 회로에서 실장 면적이 매우 작고 사용하기 쉬운 스위칭 조정기입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

커패시터(1µF 및 10µF) 두 개와 저항기 두 개만 있으면 작동하므로, LDO처럼 드롭인 및 사용이 간편하지만 더 작은 실장 면적으로 더 높은 성능을 냅니다. 일반적으로 스위치와 연결되는 인덕터가 패키지에 내장되므로 설계자 관점에서 BOM의 일부가 아니며 추가적인 공간을 차지하지 않습니다. 또한 EMI 방출이 LDO에 비교할 만큼 낮습니다(그림 2).

그림 2: DC2753A 데모 기판에서 LTM8074의 CISPR22 B급 방출(VOUT = 3.3V, 1.2A 부하, EMI 필터 없음). (이미지 출처: Analog Devices)

이러한 작은 LDO 형태의 스위칭 모듈의 다른 제조업체는 Texas Instruments이며 제품은 입력 전압 범위 2.7V ~ 5.5V, 출력 전압 범위 0.6V ~ 3.6V의 1A NanoModule인 LMZ10501(LMZ10501SILR)입니다(그림 3).

그림 3: Texas Instruments의 LMZ10501은 인덕터를 포함하여 3.00mm × 2.60mm 패키지에 하우징됩니다. 외부적으로는 세라믹 커패시터 세 개와 저항기 두 개만 있으면 작동합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

LMZ20501에는 세라믹 커패시터 세 개와 저항기 두 개만 필요하며, 3.00mm × 2.60mm에 불과한 8핀 microSiP 패키지에 인덕터가 통합되어 있습니다(그림 4). 표준 IC 모양이 아니라는 점은 확실합니다.

그림 4: Texas Instruments의 LMZ10501 인덕터는 NanoModule 물리적 설계의 통합 부분으로 공간 및 BOM이 절약됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이러한 소형 스위처는 저전류 범위에서 LDO와 경쟁할 수 있으며, LDO의 경우 오랫동안 크기 및 사용 편의성의 이점을 제공해 왔습니다. 예를 들어, Maxim Integrated의 MAXM15462는 넓은 입력 전압 범위에서 작동하는 인덕터와 컨트롤러, MOSFET, 보상 부품이 통합된 매우 효율적인 동기식 강압 DC-DC 모듈입니다(그림 5). 이 장치는 4.5V ~ 42V의 입력을 수용하며 프로그래밍 가능한 출력 전압 0.9V ~ 5V에서 최대 300mA의 출력 전류를 공급할 수 있습니다. 소형 2.6mm × 3mm × 1.5mm uSLIC™ 패키지 옆으로 커패시터 세 개(1µF 두 개, 10µF 한 개)와 저항기 두 개가 필요합니다.

그림 5: Maxim Integrated의 MAXM15462 300mA 출력 스위칭 조정기는 저전류 LDO와도 크기를 비교할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

이 작은 스위처의 장점은 LDO에 비할 만큼 작고 효율적이라는 점을 능가합니다. 선택하는 장치에 따라 입력 유입 전류를 줄이기 위한 소프트 스타트, "전력 양호" 출력 핀 및 프로그래밍 가능한 저전압 차단(UVLO) 임계값과 같은 좋은(경우에 따라 필수인) 기능이 포함됩니다.

변화 가능성

경우에 따라서는 기술 발전의 혜택을 활용하기 위해 기존에 선호하던 것에서 벗어나야 합니다. 엔지니어가 자신에게 익숙하다고 편하다는 이유로 신제품 설계에 20년도 넘은 연산 증폭기를 지정하는 경우를 볼 수 있습니다. 어떻게 보면 타당한 방법일 수 있지만 최종 설계가 더 많은 기능을 더 저렴하게 또는 더 작은 크기로 구현할 수 있는 가능성을 빼앗는 결과를 낳을 수 있습니다.

LDO와 같은 전력 조정기의 경우 여전히 매년 수백만, 수십억 개의 새로운 설계에 사용되고 있을 수 있습니다. 하지만 저전력 스위칭 조정기가 향상된 성능, 뛰어난 동작, 사용 편의성, 효율성의 측면에서 훨씬 더 많은 이점을 제공하며 패키지 크기도 더 작습니다. BOM에 자신에게 익숙한 LDO를 추가하려는 충동을 잠시 누르고 적어도 이런 조정기를 고려해보는 것이 좋습니다.

지금 설계 단계에 있다면 저전력 스위칭 조정기를 고려해 보시기 바랍니다.