전원 설계 기술 정보 사이트

기술 자료 다운로드

2018.06.07 DC/DC

효율과 열 계산

리니어 레귤레이터의 기초

이번에 설명할 리니어 레귤레이터의 효율과 열 계산은 리니어 레귤레이터 사용 시의 필수 검토 사항입니다.

리니어 레귤레이터의 효율

그림 24 : 리니어 레귤레이터 (LDO)의 효율 계산식과 예. 입출력차가 크면 효율이 저하된다.

그림 24

효율의 정의는 투입한 전력에 대해 변환된 출력전력의 비율이며, 통상적으로는 %로 나타냅니다. 이는 스위칭 레귤레이터의 경우도 동일합니다. 우측 식의 입력전류 IIN에 포함되는 ICC는 IC 자체의 소비전류입니다. 단, 이 값은 작으므로, 부하전류가 큰 경우에는 무시해도 문제되지 않습니다. 이러한 경우, 입력과 출력의 전류를 동일하게 할 수 있으므로, 단순히 출력전압을 입력전압으로 나누는 것만으로 계산이 가능합니다.

그림 24의 예에서는, 5V에서 3.3V로 변환 시의 효율은 64%입니다. 일반적으로 스위칭 레귤레이터의 효율은 80%~90% 이상이므로, 64%는 낮은 수치입니다.

그럼, 그림 24의 예에서 입력전압 5V를 3.6V로 변경해 보겠습니다. 5V는 시스템 전압, 3.6V는 리튬이온 2차 전지의 전압이라고 생각할 수 있습니다.

for_2

그림 25 : 리니어 레귤레이터 (LDO)의 손실 전력이란? 입력과 출력의 차가 손실이 된다.

그림 25 : 손실 전력

놀랍게도 이 조건에서의 효율은 89%입니다. 즉, 리니어 레귤레이터의 경우에도 입력과 출력의 전압차가 작으면 효율이 높아지므로, 스위칭 레귤레이터와 동등한 고효율을 얻을 수 있습니다. 그림 25와 같이, VIN이 드롭아웃 전압 VDROPOUT에 가까워지면 손실 전력이 줄어, 효율이 높아집니다.

이와 같은 조건에서 LDO의 공헌도는 매우 높아집니다. 이 조건에서 입출력차는 0.3V이므로 리니어 레귤레이터의 선택지는 LDO, 그 중에서도 드롭아웃 전압이 0.3V 이하인 LDO가 됩니다. 표준형의 리니어 레귤레이터에서는 이러한 조건에 대응할 수 없습니다. 만약, 어쩔 수 없이 표준형을 사용해야 한다면, 입력전압은 6.3V 이상이 필요하여 (드롭아웃 전압을 3V로 가정하면), 최초의 5V 입력의 조건에 대응할 수 없습니다. 또한, 효율도 52%로 낮아지게 됩니다. 반대로 12V에서 5V를 생성할 때는 LDO든 표준형이든 효율 및 손실은 변하지 않습니다.

리니어 레귤레이터의 효율은 입출력 전압차에 의존합니다. 드롭아웃 전압은 얼마나 입출력 전압차를 작게 할 수 있는지에 대해서는 관련이 있지만, 효율에는 직접적 관계가 없다는 사실을 계산식에 드롭아웃 전압의 항목이 없는 것으로 명확히 알 수 있습니다. 이 점을 혼동하지 않도록 해주십시오.

키 포인트

・효율은 전력 변환 효율의 의미이며, 리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터 모두 동일하다.

・리니어 레귤레이터의 경우에도 조건을 만족하면, 스위칭 레귤레이터와 동등한 효율을 얻을 수 있다.

・그림 25의 손실 전력 부분을 얼마나 작게 하는가가 리니어 레귤레이터 효율 향상의 포인트이다.

리니어 레귤레이터의 열 계산

열 계산에는 손실 전력, 패키지의 열 저항, 그리고 주위 온도의 정보가 필요합니다. 손실 전력은 효율 계산 시의 계산 방법과 동일하며, 단순하게는 입출력 전압차와 입력전류를 곱한 값입니다. 열 저항은 대부분 데이터 시트에 표기되어 있지만, 표기되지 않은 경우에는 메이커에 문의할 필요가 있습니다. 기본적으로는 칩 (Junction)과 주위 (Ambient)와의 열 저항 θja를 사용합니다. IC에 따라서는 케이스까지의 열 저항 θjc가 제공되는 경우도 있지만, 어떤 경우에든 θja까지의 열 저항을 구합니다. 마지막으로 주위 온도는 기기의 정격 등에서 예로 들어 50℃와 같이 상정된 수치여도 문제없습니다. 조건이 까다로운 경우에는 실측하기도 합니다.

그림 26 : 리니어 레귤레이터 (LDO)의 열 계산. 손실 전력 × 열저항 θja에 Ta를 더한다. 입출력 전압차와 출력전류가 커지면 발열은 증가한다.

그림 26

이론적으로는, 손실 전력과 열 저항에서 IC 칩의 발열을 구하고, 그 수치에 주위 온도를 더해 칩 온도를 구할 수 있습니다. 계산된 Tj (칩 온도)가 Tjmax (칩 온도의 최대 정격)를 넘지 않는지 확인합니다. 만약 Tjmax를 넘는 경우에는 어느 한쪽의 조건을 변경합니다. 바로 이것이 앞서 설명한, 모든 것이 스펙과 동일하게 사용되지 않고, 입출력전압, 출력전류, 주위 온도에 따라 제한을 받는다는 의미입니다.

일반적으로 정격을 넘었다고 해서 입력전압 및 출력전압을 변경할 수 있는 예는 적을 것입니다. 한가지 대처 방법으로, 부하전류 (출력전류)를 줄이는 방법은 가능할지도 모르겠습니다. 이러한 경우, 전력을 공급받는 디바이스는 되도록 소비전류가 적은 제품을 선택해야 합니다. 또 다른 방법으로는 주위 온도를 낮추는 방법도 있습니다. 자연 대류의 공냉에서 팬을 통한 냉각으로 변경하거나, 이미 팬이 있는 경우에는 냉각 능력을 높이거나, 대류 방법을 재검토하기도 합니다. 또한, 리니어 레귤레이터에 방열판을 부착하여 열 저항을 낮춤으로써 발열을 저감하는 방법도 있지만, 이러한 경우에는 방열판의 비용과 사이즈는 중요한 검토 사항이 될 것입니다. 그리고, 전원의 효율을 높여 방열을 저감한다는 관점에서는 다음으로 설명할 스위칭 레귤레이터 사용을 염두에 두는 것이 좋습니다.

키 포인트

・TjMAX (최대 정격)를 초과하지 않도록 하는 중요 검토 항목.

・조정을 위해서는 Ta와 발열 (손실 전력 × 열 저항)의 트레이드 오프가 필요.

리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 기초