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2021.10.13 DC/DC

밸러스트 저항 (ballast resistor)을 사용한 LDO의 병렬 접속

LDO 리니어 레귤레이터의 병렬 접속

지난 편에서는 LDO의 병렬 접속 방법 중, 다이오드를 사용한 병렬 접속에 대해 설명했습니다. 이번에는 밸러스트 저항 (ballast resistor)을 사용한 병렬 접속에 대해 설명하겠습니다.

밸러스트 저항을 사용한 LDO의 병렬 접속

저항을 사용한 병렬 접속의 경우, 출력 경로에 직렬로 저항이 배치되므로, 부하 전류가 증가함에 따라 출력전압은 저하됩니다.

이러한 회로에서도 역시, 출력전압이 높은 쪽의 LDO에서 전류가 공급되기 시작합니다. 전압이 높은 LDO의 출력전류가 밸러스트 저항에 흘러 전압 강하가 발생하게 되고, 전압이 낮은 쪽의 LDO 전압과 동일해지면, 전압이 낮은 쪽의 LDO에서도 전류가 공급되기 시작합니다. 이와 같이, 저항의 전압 강하를 이용하여 출력전압의 균형을 고려하면서 각각의 LDO에서 부하로 전류를 공급합니다. 출력전압이 균형 있는 관계는 하기의 식으로 나타낼 수 있습니다.

バラスト抵抗を使ったLDOリニアレギュレータの並列接続回路例

VOUT1-IOUT1×RBALLAST=VOUT2-IOUT2×RBALLAST

VOUT1:LDO1의 출력전압
VOUT2:LDO2의 출력전압
IOUT1:LDO1의 출력전류
IOUT2:LDO2의 출력전류
RBALLAST:밸러스트 저항

밸러스트 저항과 IOUT1, IOUT2로 나누어지는 전류, LDO간 전압차의 관계는 하기 식으로 나타낼 수 있습니다.

단, IOUT1+IOUT2=ILOAD

이 식에서 IOUT1과 IOUT2의 전류 밸런스를 향상시키고자 하는 경우 밸러스트 저항 RBALLAST의 저항치는 커지고, LDO간 출력전압차가 큰 경우에도 RBALLAST가 커진다는 것을 알 수 있습니다. 또한, 저항치카 커지면, 부하점에서의 전압 강하가 커집니다.

예를 들어, 3.3V, 1A 출력의 LDO1이 +1%, LDO2가 -1% 편차가 있는 경우, 출력전압차는 66mV (3.3V의 2%)가 됩니다. 부하전류 2A를 1.2A와 0.8A로 배분하고자 할 경우, 상기 식에 따르면 밸러스트 저항은 0.165Ω이 됩니다.

오른쪽 그래프는, 각 LDO의 출력전류가 어떻게 배분되어 부하에 공급되는지를 나타낸 것입니다. 부하 전류 0.4A까지 LDO1의 전류만 흐르는 이유는 LDO1의 출력전압이 높기 때문입니다. 0.4A 부근에서 밸러스트 저항에 의한 전압 강하가 66mV (=0.4A×0.165Ω)를 초과하기 때문에 LDO1과 LDO2의 출력전압이 VOUT 지점에서 동일해지므로 LDO2의 전류가 흐르기 시작합니다. 2A 시에는 계산대로 1.2A와 0.8A로 배분됩니다.

1A 출력의 LDO 2개를 병렬 접속하여 2A의 출력전류를 얻고자 하더라도, 권장 출력전류의 최대치가 1A인 LDO의 경우, 어느 한쪽이 1A에 도달한 시점에서 이 시스템의 최대 출력전류가 되므로, 그래프에서 공급 가능한 최대 출력전류는 1.6A가 됩니다.

다음으로 오른쪽 그림은, 로드 레귤레이션 그래프입니다. 부하 전류가 증가함에 따라, 밸러스트 저항에 의한 전압 강하가 커집니다. 전압 강하는 다음 식을 통해 계산할 수 있습니다. 실제의 전압 강하는, 이 전압에 LDO 자체의 로드 레귤레이션 전압이 더해집니다.

  VDIFF : LDO1과 LDO2의 출력전압차
  RBALLAST : 밸러스트 저항
  ILOAD : 부하 전류*
   * LDO1과 LDO2 양쪽의 출력전류가 흐르는 영역

다음으로 온도 특성을 포함한 출력전압 허용차가 ±3%인 LDO의 예에 대해 설명하겠습니다. 출력 3.3V, 1A의 LDO1이 +3%, LDO2가 -3% 편차일 때, 출력전압차는 198mV (3.3V의 6%)가 됩니다. 부하 전류 2A를 1.2A와 0.8A로 배분하려면, 밸러스트 저항은 0.495Ω이 됩니다.

각 LDO의 출력전류가 어떻게 배분되어 부하로 공급되는지를 하기 왼쪽 그래프로 나타내었습니다. 출력전압 편차가 ±1%이었던 예와 마찬가지로, 계산 결과대로 전류가 배분됩니다. 그리고, 하기 오른쪽 그래프는 이 조건에서의 로드 레귤레이션을 나타낸 것입니다. 밸러스트 저항치가 커진만큼 부하 전류에 의한 전압 강하가 커집니다.

지금까지 설명한 바와 같이 각 LDO의 출력전압차, 출력전류의 배분, 출력전압 강하는 트레이드 오프 관계입니다. 모든 특성의 밸런스를 고려하여 밸러스트 저항치를 결정해야 합니다. 밸러스트 저항에는 출력전류가 흐르므로, 큰 전력 손실이 발생합니다. 사용하는 저항기의 정격전력이 사양을 만족하는지 확인해야 합니다. JEITA (RCR-2121A/B 전자기기용 고정 저항기의 사용상 주의 사항 가이드라인)에서는 정격전력의 50% 이하에서 사용할 것을 권장하고 있습니다.

키 포인트

・밸러스트 저항 (ballast resistor)을 사용한 병렬 접속은, 계산식으로 구한 수치의 출력전류 배분이 가능하다.

・밸러스트 저항에는 LDO의 출력전류가 흐르므로 부하점에서 전압 강하가 발생하고, 저항에서는 전력 손실이 발생한다.

・각 LDO의 출력전압차, 출력전류의 배분, 출력전압 강하는 트레이드 오프 관계이므로, 모든 특성의 밸런스를 고려하여, 밸러스트 저항의 수치를 정해야 한다.

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