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2018.03.30 DC/DC

리니어 레귤레이터의 중요 스펙

리니어 레귤레이터의 기초

리니어 레귤레이터는 IC (Integrated Circuit / 집적회로)이므로, 다른 IC, 예를 들어 OP Amp 등과 같이 특성 및 성능을 나타내는 스펙 (SPEC)이 있습니다. 스펙은 Specification의 약자로, 사양, 규격, 표준이라는 의미입니다. 리니어 레귤레이터의 데이터 시트에는 스펙 (규격) 표가 있습니다. 스펙표에는 출력전압치와 그 정밀도 등이 기재되어 있으며, 이것을 파라미터 (parameter)라고 합니다. 데이터 시트에는 파라미터 이외에도 최대 정격, 동작 보증 조건, 특성 그래프와 같은 매우 중요한 정보가 기재되어 있습니다. 그림 9는 기본적인 데이터 시트, 스펙의 확인 포인트와 스펙 표의 예입니다.

절대 최대 정격은 한 순간이라도 넘어서는 안되는 수치입니다. 그 중에는 단락 시간 등 시간의 개념을 지닌 항목이 있는 경우가 있는데, 기본적으로는 어떠한 시간도 초과해서는 안되며 그 수치에 ±5%라는 허용차도 없습니다. 가끔 「초과되면 어떻게 되는가?」「어느 정도의 마진이 있는가?」라는 질문을 받는 경우가 있습니다. 절대 최대 정격의 의미를 생각하면, 사용 상 최대치가 절대 정격을 넘지 않도록 하거나, 원하는 수치를 허용할 수 있는 최대 정격의 제품 사용을 검토해야 합니다.

스펙치를 보증하는 조건, 예를 들어 인가 전압 및 온도 등에 대한 확인은 매우 중요합니다. 실제 사용 조건과 스펙 상의 규정 조건은 반드시 일치하는 것은 아닙니다. 대표적인 예로서 Ta=25℃라는 조건의 경우, 그 보증치는 어디까지나 Ta=25℃에서의 수치입니다. 그러나, 실제 사용에서 Ta=25℃의 일정한 조건은 항온조 속 이외에서는 있을 수 없는 조건입니다. 따라서, 스펙치를 볼 때에는 한점에 있어서의 수치인지, 어떤 범위, 예를 들면 동작 보증 온도에 따른 수치인지를 반드시 확인하여, 실제 사용 조건 및 설계 기기의 동작 조건에 가까운 조건에서의 수치를 확인할 필요가 있습니다. 이를 위해서는 특성 그래프가 도움이 되는 경우가 많습니다.

마지막으로 스펙치에는 최소치 (Min.), 최대치 (Max.), 대표치 (Typ.)가 기재되어 있습니다. 이 중에 보증되는 것은 어디까지나 최소치와 최대치입니다. 대표치는 특성 분포 및 통계적 방법에서 「대략 이 정도의 수치」라는 의미입니다. 기본적으로는 스펙치를 바탕으로 설계해야 하며, 대략적으로는 대표치를 사용하여 설계합니다. 그러나 원칙적으로는 최악의 조건이 되는 수치를 고려하여 설계해야 하며, 이 때, 설계자의 노우하우와 경험이 발휘되는 것입니다.

여기에서는 리니어 레귤레이터의 스펙에서 최저한으로 이해하고 검토할 필요가 있는 스펙, 하기 7가지 항목에 대해서 설명하고자 합니다. 물론, 다른 스펙은 무시해도 된다는 의미는 아닙니다. 데이터 시트를 충분히 읽고 이해하는 것은 설계자에게 있어서 매우 중요한 것입니다.

그림 9 : 데이터 시트, 스펙의 확인 포인트

그림 9 : 데이터 시트, 스펙의 확인 포인트

1) 입력전압 범위
2) 출력전압 범위
3) 출력 정밀도 (VREF 정밀도)
4) 출력전류
5) Dropout 전압
6) 과도 응답 특성
7) 리플 제거비

키 포인트

・절대 최대 정격은 엄수해야 하는 중요 항목이다.
・설계 시에는 모든 동작온도 범위에서 보증된 수치가 유용하다.
・Typical 값은 보증치가 아니다.
・데이터 시트를 충분히 읽는 것은 매우 중요하다.

입력전압 범위

입력전압 범위는 2개의 수치를 확인해야 합니다. 최대 정격에 기재되어 있는 범위는 「입력 가능」하다는 의미로, 여기까지는 인가되어도 된다는 범위이므로, 이 범위에서 동작한다는 의미는 아닙니다. 정상이 아닌 전압을 상정하여, 이 범위에 포함되는지 확인합니다.

그림 10 : 입출력의 관계

그림 10 : 입출력의 관계

최대 정격과는 별도로 동작 입력 범위, 권장 입력 범위라는 항목이 있으므로, 이를 기준으로 합니다.

그림 10은 입력 범위, 출력 범위, 그리고 Dropout전압의 관계를 나타내고 있습니다. 유효한 입력 범위는 「출력전압+Dropout전압 이상에서 최대 입력전압까지」입니다. 리니어 레귤레이터는 강압만 가능하므로, 「출력전압+Dropout전압」 이하의 전압을 입력해도 동작하지 않습니다. 이 전압 이하가 입력되면 어떻게 되는지는 IC의 회로 구성에 따라 달라지지만, 대부분은 「입력전압-Dropout전압」 정도의 전압이 나타납니다. 그러나, 안정화 여부는 보증의 범위 안에 포함되지 않습니다. 또한, 입력이 저하하면, 어느 순간 갑자기 0V 정도로 떨어지는 것이 일반적이라고 생각합니다. 배터리 구동 등에서 배터리가 잔량이 거의 다 소진될 때까지 전원이 공급되어 회로가 동작만 하면 되는 용도에서는, 이 영역을 이용하는 경우도 있다고 합니다.

키 포인트

・그림 10의 관계를 확실히 이해하여, 입출력 조건을 설정할 것.

출력전압 범위

그림 11

그림 11

출력전압 범위는 가변 타입을 위한 스펙이므로, 5V 출력과 같은 고정 타입에는 해당되지 않습니다. 출력전압 범위란, 가변 타입에서 출력전압으로 설정 가능한 전압 범위입니다.

출력전압 범위에서는 기본적으로 가변 타입이 설정 가능한 최저 전압은 VREF입니다. VREF는 1-1) 항목의 동작 원리에서 설명한, 에러 앰프 입력에 접속되어 있는 비교용 기준전압입니다. 동작 회로에서 비교하는 전압 (VREF)보다 낮은 전압을 안정화할 수 없습니다.

VREF는 IC의 일부분이므로 기본적으로는 외부에서 변경할 수 없습니다. 일반적으로는 CMOS 리니어 레귤레이터의 경우는 0.8V 전후, 바이폴라의 경우는 1.2V 전후의 VREF가 일반적으로 사용됩니다. 여기에서 주의해야 할 점은 예를 들어 1V 출력이 필요하면 1.2V의 VREF 제품을 선택해서는 안된다는 점입니다.

그림 12

그림 12

출력전압 범위에서 최저 전압은 VREF이며, 최대는 최대 입력전압 (VIN MAX)- Dropout전압입니다. (그림 10 참조)

입출력 조건은 상기 관계를 바탕으로 계산하여 구할 수 있지만, 손실 전력에 따라 제한되는 경우가 있습니다. TjMAX를 넘지 않도록 열 계산하고 VIN, VOUT, IOUT, Ta의 조건에 따라 트레이드 오프가 필요한 경우가 있습니다.

키 포인트

・통상적으로 VREF보다 낮은 전압을 출력으로 설정할 수 없다.
・설정 조건에 따라서는 열 손실을 허용할 수 없는 경우가 있으므로, 열 계산에 따라 확인이 필요하다.

출력 정밀도 (VREF 정밀도)

그림 13

그림 13

출력 정밀도는 고정 출력 타입의 출력전압의 허용 오차입니다. 예전에는 ±5%가 표준이었지만, 최근에는 ±1%의 고정밀도가 많습니다.
출력 정밀도는 온도 및 출력전류와 밀접한 관계가 있습니다. 현실적으로는 25℃에서만 사용하는 것은 아니므로 모든 온도 범위의 스펙을 참조합니다.

가변 타입의 경우, VREF의 정밀도가 해당되며, 이 수치가 IC 자체의 정밀도가 됩니다. 가변 타입의 출력전압은 외장 저항으로 설정하므로, 출력 정밀도는 VREF의 정밀도에 출력 설정 저항의 오차를 더한 값이 됩니다.

키 포인트

・가변 타입의 출력전압 정밀도는 VREF 정밀도에 출력 설정 저항의 오차를 더한 값이다.
・범용 전압의 경우, 고정 타입을 사용하는 편이 좋다. 출력 정밀도 보증을 얻을 수 있으며, 저항 2개가 불필요하다.

출력전류

출력전류의 스펙은 최소한 출력 가능한 전류를 보증하는 항목으로 기본적으로 최소치가 규정되어 있는 경우가 많습니다. 데이터 시트에 따라서는 출력전류 리미트 (Output Current Limit)라고 표현되어 있는 경우도 있습니다. 이 때, Limit의 의미는 「제한」이 아니라 「한계」의 의미이며, 최소치가 보증되어 있으면, 이것은 「최소한의 전류치 보증」이라는 의미이므로, 실제로는 그 이상의 전류가 흐릅니다. 기재되어 있는 수치로 전류가 제한된다고 착각하여 부하가 파괴되었다는 예가 있으므로 주의가 필요합니다. 또한, IC에 따라서는 최소치와 최대치가 규정되어 있는 경우도 있으며, 이 때, 최대치는 전류가 제한된다는 의미이지만, 이 제한치를 고려한다면 만약을 위해 제조사에 문의하는 것이 좋습니다.

그림 14

그림 14

그러면, 보증된 출력전류를 항상 이용할 수 있는지는 「조건에 따라」 달라집니다. 입출력 조건, 주위온도 조건과의 균형에 따라 결정됩니다. 리니어 레귤레이터에서 열 계산은 항상 필요하며, 중요한 관리 항목의 일종입니다.

유사 스펙으로 단락 전류가 기재되어 있는 경우가 있습니다. 단락 전류는 출력단자가 지락 (地絡), 즉 GND에 쇼트된 경우에 흐르는 최대 전류입니다. 이 전류를 알게 되면 최악의 조건에서의 대처법을 세울 때 도움이 됩니다.

대부분의 리니어 레귤레이터는 출력 단락 시의 보호 기능을 가지고 있습니다. 서멀 셧다운은 대표적인 보호 기능으로, 칩 온도를 검출하여 전류 출력을 정지합니다. 이 기능에 의해 리니어 레귤레이터의 칩은 제한 온도 (150℃ 전후가 많음) 이상이 되지 않으므로, 대부분의 경우 파괴되지 않습니다. 그러나, 칩 온도가 낮아지면 자동 복귀하여 (latch off하는 경우도 있음) 부하의 장해물이 제거되지 않으면, 다시 전류가 흘러, 부하에 계속적으로 출력 가능한 전류가 흐르기 때문에 부하까지는 보호되지 않는 경우가 있습니다.

키 포인트

・데이터 시트의 해당 항목을 확실히 확인하고, 최대치인지 최소치인지를 반드시 확인한다.
・규정된 출력전류가 항상 얻어지는 것은 아니다. 입출력 조건과 TjMAX에 따라 제한을 받는다.
・과전류 시 및 단락 시의 동작 (최대 전류, 서멀 셧다운, latch off 등)은 구체적으로 어떻게 되는지 반드시 확인한다.

Dropout 전압

그림 10 : 입출력의 관계

그림 10 : 입출력의 관계

Dropout 전압은 리니어 레귤레이터의 안정화 동작을 위해 필요한 입력전압과 출력전압의 차입니다. 손실 전압으로 표현되는 경우도 있지만, 앞서 기술한 정의에서의 손실 전압이므로, 예를 들어, 12V 입력에서 5V 출력인 경우, 손실 전압 7V와는 다른 의미입니다. 드롭아웃 (Dropout)은 입력전압이 출력전압에 가까워지면, 안정화 동작을 유지할 수 없어, 출력이 입력에 비례하도록 강하되기 시작합니다. 이 상태를 영어로는 Dropout이라고 표현하며, 이 상태에 입력되는 전압, 즉 안정화 동작에 필요한 입력전압과 출력전압의 차를 Dropout 전압이라고 표현합니다. (여러가지 설이 있습니다.)

앞에서도 게재한 그림 10, 입출력 전압과 Dropout 전압의 관계를 다시 한번 봐주십시오. 1-3) 리니어 레귤레이터의 회로 구성과 특징에서 설명한 바와 같이, Dropout 전압은 IC의 회로 구성에 따라 달라집니다. 표준 타입에 비해 Dropout 전압이 낮은 것이 LDO입니다. 단순한 관계로서 Dropout 전압이 낮으면 낮을수록 출력전압에 가까운 입력전압으로 동작 가능합니다. 이는 입력전압이 변동하는 배터리 구동의 어플리케이션에서 중요한 스펙입니다. 한편, 12V에서 5V를 만드는 어플리케이션에서는 Dropout 전압이 중요하지 않습니다. 참고로 Dropout 전압이 작으면 효율이 좋아지는지에 대해서는 뒤에서 설명하겠습니다.

그림 16 : Dropout 전압과 출력전류

그림 16 : Dropout 전압과 출력전류

그림 17 : Dropout 전압

그림 17 : Dropout 전압

그림 16과 17의 그래프는 Dropout 전압과 출력전류, 그리고 온도와의 관계입니다. 보시는 바와 같이, 온도 및 출력전류에 대해 어느 정도 변동하는 파라미터인 것은 분명합니다. 상온의 스펙에 거의 가깝게 설계하면, 고온에서 동작하지 않을 수도 있습니다. Dropout 전압에 한정된 내용은 아니지만, 특성 그래프는 매우 중요한 정보를 제공합니다.

그림 15

그림 15

키 포인트

・그림 10의 관계를 확실히 이해할 것.
・출력전류와 온도에 따른 변동이 크므로, 최소 입력전압 시에 동작하지 않는 조건이 되지 않도록 한다.

과도 응답 특성

그림 19 : 부하전류 급증 예. 출력전압은 순간적으로 강하하지만, 링깅 발생과 함께 회복된다.

그림 19 : 부하전류 급증 예. 출력전압은 순간적으로 강하하지만, 링깅 발생과 함께 회복된다.

과도 응답 특성은 부하전류의 변동에 따라 출력전압이 변동하는 경우, 리니어 레귤레이터는 출력전압을 설정된 전압치로 되돌리려고 합니다. 이러한 출력전압의 변동에서 원래 상태로 회복하기까지의 시간을 과도 응답 특성이라고 합니다. 엄밀히 말하면, 부하 과도 응답 특성입니다.

레귤레이터의 역할은 안정화가 아닌가? … 라는 의문이 생길지도 모르겠습니다. 레귤레이터는 안정화 동작을 하는 제품이지만, 레귤레이터뿐만 아니라, 모든 제품이 상태 변화에 대응하기까지 시간이 필요합니다. 출력의 부하 변동이 매우 빠른 경우, 리니어 레귤레이터의 귀환 (안정화) 루프의 응답이 그 속도에 대응하지 못해, 부하전류가 급격하게 증가하는 경우에는 출력전압이 낮아지고, 급격하게 감소한 경우에는 출력전압이 높아지는 현상이 발생합니다. (그림 19, 20 참조)

그림 20 : 부하전류 급감의 예. 출력전압은 순간적으로 상승

그림 20 : 부하전류 급감의 예. 출력전압은 순간적으로 상승

이와 같이, 부하전류가 급격하게 변하는 어플리케이션에서는 과도 응답 특성이 중요시됩니다. 부하 변동으로 인해 출력전압이 크게 변동될 때, 그 회복이 늦으면, 회로가 리셋되거나, 데이터에 에러가 발생하는 등, 문제가 발생할 것입니다. 이러한 문제를 최소한으로 억제하기 위해서는 과도 응답 특성이 우수한 리니어 레귤레이터를 선택할 필요가 있습니다. 뒤에서 설명할 스위칭 레귤레이터도 동일하게 과도 응답 특성을 가지고 있지만, 리니어 레귤레이터의 과도 응답 특성은 연속적으로 루프 제어를 하므로 비교적 고속입니다.

그러나, 과도 응답 특성은 대부분의 경우 스펙으로서 보증되지 않습니다. 이는 출력 용량 및 배선 인덕턴스의 영향을 받기 때문에, 일률적으로 규정치를 정할 수 없기 때문입니다. 표준적인 회로 예의 특성이 그래프에 표시되어 있는 경우가 있으므로, 이 경우에는 이를 참고치로 합니다. 상기 내용과 같이, PCB 레이아웃에 따라서도 특성이 달라지므로, 최종적으로는 실제 기기에서 실측할 것을 권장합니다.

그림 18

그림 18

키 포인트

・급격한 부하 (출력) 전류 변동 시, 출력전압이 변동하여 회복할 때까지의 시간 (응답 시간)이 필요하다.
・IC 및 출력 콘덴서의 특성에 따라 응답 시간이 달라진다. (개선 가능성 있음)
・변동이 너무 크면, 전원 감시 기능의 임계치를 초과하여 리셋되는 경우도 있다.

리플 제거비

그림 23

그림 23

리플 제거비는 입력의 리플 전압을 출력에서 어느 정도 제거할 수 있는지를 나타낸 스펙으로, PSRR 및 입력전압 리플 제거 등 여러가지 명칭이 있지만, 의미는 동일합니다. 리플 제거비는 dB로 나타내는 경우가 많습니다. 예를 들어 60dB의 경우, 입력 리플이 1/1000로 제거되는 것입니다. 100mV의 리플이면, 0.1mV가 됩니다.

리플 제거비는 입력의 리플이 큰 경우에 중요합니다. 최근에는 스위칭 레귤레이터가 많아지고 있으며, 노이즈 억제가 중요한 어플리케이션에서도 효율 등의 관점에서 스위칭 레귤레이터를 사용하게 되었습니다. 그러나, S/N을 타협할 수 없는 어플리케이션에서는 스위칭 레귤레이터의 출력에 발생하는 스위칭 노이즈 (리플)를 제거하기 위해, 리니어 레귤레이터의 리플 제거 기능을 이용하는 경우가 있습니다. 유효한 방법이긴 하지만, 입력의 리플 주파수와 리플 제거비의 주파수 특성을 확실하게 검토할 필요가 있습니다. 일반적으로 리플 제거 성능은 주파수가 높아지면 저하됩니다. 따라서, 리플 주파수가 높은 경우에는 그다지 효과가 없습니다.

그림 21

그림 21

그림 22

그림 22

그림 21은 매우 일반적인 리니어 레귤레이터의 리플 제거 특성으로, 주파수에 비해 제거비는 저하되어, 80kH에서는 약 8dB정도이므로 1/2.5밖에 제거되지 않습니다. 이에 비해 스위칭 레귤레이터의 스위칭 주파수는 수백 kHz에서 수 MHz로 높습니다. 예를 들어 600kHz의 스위칭 레귤레이터의 리플이 100mV라고 하면, 40mV의 리플이 남습니다. 최근에는 주파수 특성이 개선된 리니어 레귤레이터가 있어, 그림 22의 예에서는 600kHz 시의 리플 제거비는 28dB이므로 1/25로 제거되어, 리플을 4mV로 억제할 수 있습니다.

키 포인트

・원래는 정류 – 평활 후의 리플을 저감하는 기능.
・스위칭 레귤레이터 뒤에 접속하여 스위칭 리플을 저감할 수 있지만, 리플 주파수에 주의할 것.

리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 기초