DC-DC｜기초편

LDO의 기초

2026.04.08

・LDO란? (정의 · 기본 원리)
・LDO의 회로 구성과 동작 원리
・LDO의 종류와 주요 파라미터
・LDO와 다른 방식의 비교 · 선정 방법
・LDO의 설계 · 실장 시 다루어야 할 주요 사항
・LDO의 최신 기술 동향
・마무리

Low Dropout Regulator (이하, LDO)는 반도체 디바이스의 일종으로, 입출력 전압차가 작은 상태에서도 동작할 수 있는 리니어 레귤레이터의 총칭입니다. LDO는 작은 입출력 전압차에서도 안정적인 출력을 얻을 수 있는 것이 특징으로, 배터리 구동의 모바일 기기나, 저전력 · 소형화를 중시하는 어플리케이션에서 널리 채용되고 있습니다. 구체적으로는, 리튬 이온 전지에서 직접 회로를 구동할 때 이용되는 경우가 대표적인 예입니다.

본 기사에서는 LDO의 구조나 회로 구성, 설계 시에 고려해야 할 규격이나 특성 등에 대해 설명하고, LDO를 도입하는 데 있어서 짚고 넘어가야 할 포인트를 알아보겠습니다.

Low Dropout What is an LDO?

LDO란? (정의 · 기본 원리)

LDO는 입력전압과 출력전압의 차 (입출력 전압차)가 작아도 일정한 출력을 유지할 수 있는 리니어 레귤레이터입니다. 일반적인 3단자 레귤레이터와 비교하면, 필요한 입력전압의 여유가 작은 점이 큰 특징입니다. 여기에서는 LDO의 정의나 역사적인 배경 등을 간결하게 되돌아보며, 다양한 기기에서 채용되는 이유에 대해 알아보겠습니다.

LDO의 의미와 유래 (“Low Dropout”의 어원 · 정의)

LDO는 「Low Dropout Regulator」의 약칭으로, Dropout 전압이 낮음을 나타냅니다. Dropout 이란, 「안정적인 레귤레이션을 유지하기 위해 필요한 최소한의 입력전압과 출력전압의 차」를 의미합니다. 일반적인 기존의 리니어 레귤레이터는 출력전압보다 수V정도 높은 입력전압을 필요로 하는 경우가 많지만, LDO는 이 차이가 수백 mV나 때로는 수십 mV까지 낮출 수 있는 제품도 존재합니다. 대부분의 LDO는 내부에 패스 소자 (바이폴라 트랜지스터나 MOSFET), 오차 증폭기, 보호 회로를 갖추어 각각의 규격 (입력전압 범위 · 출력전압 범위 등)을 충족하는지가 선정 시의 중요한 포인트입니다.

예를 들면, 3.3V의 출력을 얻을 경우에 4.0V 정도 밖에 입력을 인가받을 수 없는 조건에서도 LDO는 안정 동작할 가능성이 높습니다. 이 「Low Dropout」이라는 특징은, 전력 효율이나 열 손실의 경감에 관련되기 때문에, 저전력 및 소형화가 요구되는 기기에 대해 중요한 역할을 합니다.

기존의 리니어 레귤레이터의 차이

리니어 레귤레이터는, 내부에 패스 소자 (트랜지스터 등)를 이용하여 입력전압으로부터 여분의 전압을 열로 버림으로써 안정된 출력을 실현합니다. 기존의 리니어 레귤레이터는 입력전압과 출력전압의 차가 큰 경우에 설계하기 쉬운 반면, 입력전압과 출력전압의 차가 작아지면 정상 동작하기 어렵다는 측면이 있습니다.

반면, LDO는 선형 (저항) 영역에서 낮은 ON 저항을 유지하기 쉬운 트랜지스터를 채용하는 등의 개선에 의해 입출력 전압차가 작아도 동작할 수 있도록 되어있습니다. 구체적으로는, 바이폴라 트랜지스터나 MOSFET를 소스 팔로워 (Source Follower) 구성이나 이미터 팔로워 (Emitter Follower) 구성 등으로 동작시키는 것으로, Dropout 전압을 수백 mV 이하로 억제합니다.

기존의 리니어 레귤레이터 중에는 출력전압보다 2V 이상 높은 입력전압이 필요한 것이 많아, (입력전압 – 출력전압)이 큰 상황을 전제로 하여 설계됩니다. 반면, LDO는 배터리 구동과 같이 입력전압이 저하하는 용도로도 아슬아슬하게 규정의 출력을 유지하기 쉽고, 에너지 절약이나 저발열이라는 측면에서 메리트를 가져옵니다.

LDO가 주목받는 이유 (Low Dropout, 저전력, 소형화 등)

LDO가 주목받는 요인으로는 다음과 같습니다.

저전력 : Dropout 전압이 낮을수록 불필요하게 소비되는 전력이 작아진다.
열설계 간략화 : 입력전압과 출력전압의 차를 억제함으로써 발생하는 열량이 줄어, 소형 히트 싱크로 충분한 경우가 있다.
소형화와 배터리 동작 : 모바일 기기 등에서 전지의 전압이 낮아진 경우에도 동작이 유지되기 쉬워진다.
노이즈 관점 : 스위칭 레귤레이터와 비교하여 고주파 노이즈가 발생하기 어렵다.

결과적으로, LDO는 배터리 구동 어플리케이션에서 통신기기, 산업기기까지 폭넓게 이용되고 있습니다. 지금까지는 개념적인 이해를 중심으로 정리하였으며, 이제부터는 회로 구성이나 동작 원리를 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

LDO의 회로 구성과 동작 원리

LDO는 피드백 제어에 의해 출력전압을 일정하게 유지한다는 점에서는 일반적인 리니어 레귤레이터와 같습니다. 다만, 입력과 출력전압 차를 억제하기 위해서, 내부 구성이나 사용되는 트랜지스터의 종류, 보호 기능 등에서 몇 가지 설계 기법이 담겨있습니다. 이번에는 LDO의 주요 회로 블록을 소개하면서, Low Dropout이 가능한 이유에 대한 구조를 설명하겠습니다.

주요 블록 (패스 소자 · 오차 증폭기 · 보호 기능)의 개요

LDO의 구조 자체는 비교적 단순합니다. 아래의 주요 블록을 조합하여 출력전압을 일정하게 유지합니다.

주요 블록 개요

패스 소자 (Pass Element)
바이폴라 트랜지스터나 MOSFET를 사용하여 입력에서 출력으로의 전류를 제어합니다. 최근에는 내부에 설계 상의 개선을 통해, 차지 펌프나 제어 회로를 삽입하여 낮은 게이트 소스 전압에서도 구동 가능하게 한 LDO도 많이 볼 수 있습니다.
오차 증폭기 (Error Amplifier)
출력전압을 모니터링해 레퍼런스 전압과 비교하여 패스 소자를 제어합니다. 이때의 이득 특성이나 응답 속도가 정밀도와 과도 응답에 크게 영향을 미칩니다.
보호 기능
과전류 보호, 과열 보호, 역류 방지 등의 기능을 내장하여, LDO 자체의 안전성과 부하 측의 보호를 합니다.

Dropout 전압의 구조

LDO의 특징인 Dropout 전압은, 패스 소자가 전류를 공급하면서도 정상적으로 제어할 수 있는 최소 차분 전압으로 정의됩니다. 예를 들어, PNP 트랜지스터를 사용하는 LDO의 경우 이미터-콜렉터 간 전압이나 베이스-이미터 간의 전압이 포화 가까이에서 동작할 때의 총합이 Dropout 전압을 좌우합니다. 아래의 간단한 모델식을 참조하여 주십시오.

\(V_{dropout}≈V_{CE(sat)}+V_{overhead}\)

V_CE(sat) : 포화 영역의 콜렉터-이미터 간 전압
V_overhead (control margin) : 오차 증폭기가 패스 소자를 포화시키지 않기 위해 확보하는 여유 전압 (온도 · 프로세스 편차나 루프 이득 저하를 흡수하는 수십 mV 규모)

한편, MOSFET 기반의 LDO는 Pch 또는 Nch MOSFET를 Low Dropout 영역에서 구동할 수 있도록 내부에서 게이트 제어 회로를 개선하였습니다. 예를 들어, 차지 펌프 등을 통해 게이트 전압을 보충함으로써 외부에서 본 입력-출력 차가 수백 mV 이하에서도 동작할 수 있습니다. 부하전류가 I_out, MOSFET의 ON 저항이 R_DS(on)인 경우, 아래와 같이 나타낼 수 있습니다. (여기에 제어 회로에서 필요한 최소한의 전압차가 가해지는 경우도 있습니다.)

\(V_{dropout}=I_{out}×R_{DS(on)}\)

바이폴라 LDO의 경우
1. 포화 전압 V_CE(sat)을 데이터시트나 트랜지스터 특성으로부터 읽어낸다.
2. 바이어스 전압 V_BE 나 제어 회로의 여유 전압을 가산하여, Dropout 전압을 대략적으로 계산한다.
MOSFET LDO의 경우
1. 부하전류 I_out을 상정한다.
2. R_DS(on)을 확인하여, I_out × R_DS(on)에서 최소한으로 필요한 차이를 산출한다.
3. 게이트 드라이브 전압에 의한 추가 여유도 고려하여 최종적으로 Dropout 전압을 구한다.

저노이즈 설계 · 역류 방지 포인트

LDO는 스위칭 레귤레이터 대비, 고주파 노이즈가 작다는 메리트가 있습니다. 그러나 패스 소자의 선택이나 내부 회로의 구성에 따라서는 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전류 경로나 레퍼런스 회로의 노이즈가 문제가 되는 경우도 있습니다. 설계 시 고려할 점은 다음과 같습니다.

바이패스 콘덴서
레퍼런스나 오차 증폭기의 전원 단자 근방에 소용량 콘덴서를 삽입하여 노이즈를 제거한다.
레이아웃 개선
입출력 콘덴서를 적절히 배치하고, GND 패턴을 최적화함으로써 스파이크나 리플을 억제한다.
역류 방지 (Reverse Current Protection)
배터리에서 레귤레이터로 전류가 역류하면 오작동이나 파손의 원인이 된다. 이를 위한 대책으로, 보호 다이오드나 스위치 소자 등을 추가한다.

LDO의 종류와 주요 파라미터

LDO는 내부에 사용하는 소자나 설계 사상에 따라 다양한 종류가 있습니다. 한편, 선정 시에는 공통적으로 평가해야 하는 파라미터도 존재합니다. 이번에는, LDO의 대표적인 종류와 그 성능을 판별하는 데 있어서 필수적인 주요 파라미터에 대해 정리하겠습니다.

전압 범위별 (고전압 / 저전압 대응)

LDO의 입력전압 범위

LDO는 Low Dropout이 특징이지만, 입력전압 범위에는 폭이 있습니다. 예를 들어, 5V 이하의 동작을 상정한 배터리 구동용의 저전압 LDO도 있고, 자동차기기나 산업기기용으로 30V 및 40V를 넘는 높은 입력전압에 대응하는 LDO도 있습니다. 고전압에 대응하는 LDO는 파워 트랜지스터가 고내압화되어, 보호 기능도 강화된 경우가 많습니다. 한편, 1V 부근을 생성하는 등 초저전압 영역에 특화된 LDO는 MOSFET를 베이스로 게이트 드라이버를 개선하여, 극한까지 Dropout을 저감시키도록 설계되어 있습니다.

저노이즈 / 낮은 대기전류 / PSRR / 라인 · 로드 레귤레이션

저노이즈, 낮은 대기전류

저노이즈
아날로그 회로나 무선 회로에 전원을 공급하는 경우 등, 노이즈가 신호 품질에 크게 영향을 주는 경우에 사용됩니다. 레퍼런스 회로나 오차 증폭기의 노이즈를 저감하고, 패스 소자의 스위칭 노이즈를 최대한 억제한 설계입니다.
낮은 대기전류 (I_q)
대기 시 소비 전류를 최소한으로 함으로써 배터리 구동시간을 늘리는 것을 목적으로 합니다. 소용량 콘덴서나 간단한 내부 회로 구성에 의해서, 대기 전류를 수 uA 이하로 억제하는 제품도 있습니다.

PSRR（Power Supply Ripple Rejection）

PSRR은 입력 측의 리플이나 노이즈가 어느 정도 출력 측에 전달되는지를 나타내는 지표입니다. 주파수 특성으로서 나타나는 경우가 많으며, 특히, 수십 kHz 이상의 고주파 대역에서의 PSRR이 중요시되는 경우가 있습니다. 예를 들면, 오디오 회로나 고정밀 아날로그 회로에서는 PSRR이 높은 LDO를 선택하는 것으로 전원 노이즈의 영향을 저감할 수 있어 정밀도 향상에 기여합니다. 이를 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

\(PSRR(f)=20log_{10} \left( \frac{\large{V_{ripple,in}(f)}}{\large{V_{ripple,out}(f)}} \right)\)

값이 클수록 입력 리플의 억제 능력이 높다는 것을 의미합니다. 여기서 V_ripple,in(f)은 입력 측 리플 전압, V_ripple,out(f)은 출력 측에 남아있는 리플 전압입니다.

중간 계산 예 (PSRR을 구하는 방법)

입력에 기지 진폭의 리플 전압 (예 : 10mV 피크)을 준다.
출력에 나타나는 리플 폭을 측정 (예 : 1mV 피크).
각각 진폭 또는 RMS로 비교하고, 다음과 같이 계산한다.

\(PSRR(f)=20log_{10} \left(\frac{\large{10mV}}{\large{1mV}}\right)=20log_{10}(10)=20dB\)

라인 · 로드 레귤레이션

라인 레귤레이션
입력전압이 변화했을 때 출력전압이 어느 정도 변동하는지를 나타내며, 일반적으로 아래와 같이 표시됩니다.
(mV/V나 %/V 등으로 표시되는 경우가 많습니다.)

\(Line \ regulation=\frac{\large{ΔV_{out}}}{\large{ΔV_{in}}}\)

로드 레귤레이션
부하전류의 변화에 대해 출력전압이 어느 정도 변동하는지를 나타내며, 아래와 같이 표시됩니다.
(mV/mA나 %/mA 등으로 표시되는 경우가 많습니다.)

\(Load \ regulation=\frac{\large{ΔV_{out}}}{\large{ΔI_{out}}}\)

모두 LDO의 전압 제어 성능을 수치화하는 지표로, 데이터시트에서는 Max값이나 typ값으로 기재됩니다. 동작 온도 범위에서의 변동도 고려하여, 실장하는 회로가 필요 요건을 충족하는지 확인하는 것이 중요합니다.

효율 · 열 설계 (소비 전력 / 발열 / 패키지)

효율 · 열 설계

리니어 레귤레이터인 LDO의 기본적인 소비 전력은 아래의 식을 통해 대략적으로 계산할 수 있습니다.

\(P_{diss}=(V_{in}-V_{out})×I_{out}\)

이는 입력 전원에서 공급되는 전력과 출력에서 이용되는 전력의 차입니다.

이 손실은 거의 열로 방출되기 때문에 입력전압과 출력전압의 차가 클 때나 대전류를 다룰 때는 방열이 증대하고, 히트 싱크나 기판 패턴에서의 방열 설계를 고려할 필요가 있습니다.

LDO는 스위칭 레귤레이터와 달리 고효율화가 어려운 측면이 있지만, Dropout 전압을 극한까지 낮추어 입력-출력 간의 전압차를 줄이고 손실을 저감할 수 있습니다. 또한, 패키지에 따라 열 저항이 바뀌므로 PowerPAD나 플립칩 (Flip Chip) 실장 등, 방열 특성이 우수한 패키지를 선택하는 것도 중요합니다.

부하 응답 · 과도 응답 · 기동 특성

전원의 부하가 순간적으로 증감하는 경우나 LDO가 기동할 때의 출력전압이 어느 정도 안정되어 있는지는 설계 단계에서 중요합니다.

부하 응답 · 과도 응답 · 기동 특성

부하 응답
부하전류가 급변했을 때의 출력전압 변동의 크기나 복귀까지의 시간. 오차 증폭기의 속도나 출력 콘덴서의 용량 · 내부 저항 등에 의해 좌우됩니다.
과도 응답
전압이 일시적으로 오버 슈팅이나 언더 슈팅하는 현상. 고속 응답이 요구되는 용도 (고속 디지털 회로 등)에서는 큰 문제가 될 수도 있습니다.
기동 특성
LDO가 전원 투입 시에 출력전압을 기동시킬 때까지의 동작. 급격한 전압 상승으로 부하에 악영향을 주지 않도록 소프트 스타트 기능을 탑재한 제품도 있습니다.

최근에는, 제어 IC와 주변 회로를 일체화한 LDO 모듈도 개발되어, 기판 실장의 번거로움이나 외장 부품의 선정 공수를 절감하는 방식이 주목받고 있습니다. 이러한 모듈형은 동작 범위나 방열 설계가 명확화되어 있기 때문에, 개발 스피드를 중시하는 어플리케이션에 적합합니다.

LDO와 다른 방식의 비교 · 선정 방법

LDO 이외에도 다양한 전압 레귤레이션 방식이 있습니다만, 각각 장단점이 있습니다. 여기에서는 특히 비교되는 경우가 많은 스위칭 레귤레이터 및 기존의 리니어 레귤레이터와 비교하면서 LDO의 특징을 다시 확인하고, 용도별 선정 포인트를 정리하겠습니다.

LDO와 다른 방식 비교 · 선정 방법

스위칭 레귤레이터 vs LDO (소비 전력 · 효율 비교)

스위칭 레귤레이터는 펄스 폭 변조 (PWM)나 펄스 주파수 변조 (PFM) 등의 방식으로 스위칭 소자를 고속 ON / OFF하여 인덕터나 콘덴서를 통하여 출력전압을 형성합니다. 대표적인 방식으로 강압 (Buck), 승압 (Boost), 승강압 (Buck-Boost) 등이 있습니다. 트랜지스터나 다이오드 (또는 동기정류 MOSFET)의 손실이 최소화되는 타이밍에서 전류를 흐르게 하기 때문에, 고효율을 실현하여 효율이 80~90%를 넘는 경우도 드물지 않습니다.

한편, 스위칭 레귤레이터는 인덕터나 대용량 콘덴서 등 외장 부품이 필요한 경우가 많아, 실장 면적이 추가로 필요하게 되거나 회로 설계가 복잡해지곤 합니다. 또한, 고속 스위칭에 따른 노이즈 (EMI)나 리플이 발생하기 쉽고, 이를 억제하기 위한 쉴드나 레이아웃 상의 주의가 필요합니다.

LDO는 입력전압에서 출력전압으로 선형적인 전력을 제어하기 때문에 (V_in – V_out) × I_out 으로 나타나는 손실이 발생하고, 그만큼 발열로 버려집니다. 효율이라는 관점에서 비교하면, 스위칭 레귤레이터는 부하전류나 설계에 따라 다르지만 80~90% 이상의 효율을 기대할 수 있는데 반해, LDO는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

\(η≈\frac{\large{V_{out}}}{\large{V_{in}}}×100\%\)

입력전압과 출력전압의 차가 클수록 효율이 저하되지만, Dropout 전압이 매우 작은 경우에는 (V_in – V_out) 자체를 약간 억제할 수 있기 때문에 실용상 어느 정도의 효율을 확보할 수 있는 경우도 있습니다. 또한, LDO는 고주파 노이즈가 나오기 어렵고, 외장 부품도 입출력 콘덴서 정도로 끝나기 때문에 실장이 심플하고 리플도 작다는 메리트가 있습니다.

정리하면, 큰 전압 강하를 수반하거나 고효율을 최우선시하는 경우에는 스위칭 레귤레이터가 적합하고, 전압차가 작은 환경이나 노이즈에 민감한 아날로그 회로 등에는 LDO가 유효합니다.

기존의 리니어 레귤레이터 vs LDO (3단자 레귤레이터 등과의 차이)

기존의 리니어 레귤레이터는 입력전압에 대해 2~3V 정도의 여유가 필요한 설계가 많아, 패스 소자가 포화 영역에서 어느 정도 떨어진 상태로 제어를 하는 것을 전제로 하고있습니다. 반면, LDO는 패스 소자의 동작점을 포화 영역에 가깝게 하여 Dropout 전압을 수백 mV 이하로 억제하는데 성공했습니다.

패스 소자의 선택과 구성
기존 리니어 레귤레이터에서는 제어를 위해 베이스-이미터 전압이나 콜렉터-이미터 전압에 어느 정도 마진을 취하는 것이 일반적이었지만, LDO에서는 MOSFET를 이용해 게이트 소스 전압이 작아도 구동할 수 있도록 하거나, 바이폴라 트랜지스터의 경우에도 포화 근처의 제어를 허용하는 회로를 삽입하는 등, Dropout 전압을 낮추기 위한 설계를 실시하고 있습니다.
피드백 회로 최적화
기존의 리니어 레귤레이터는 비교적 완만한 제어 특성을 가졌지만, LDO는 작은 전압차에서도 안정적으로 제어할 수 있도록 오차 증폭기의 바이어스 전압이나 내부 레퍼런스를 개선하는 경우가 많습니다.
응용 분야의 차이
기존의 리니어 레귤레이터는 AC 어댑터 등 높은 입력전압을 강압하여 간편하게 안정화하는 용도로 많이 사용되었습니다. 반면, LDO는 배터리 구동이나 1~2V의 저전압을 이용하는 디지털 IC 등, 저전압이면서 저전력이 요구되는 환경에서 강점을 발휘합니다.

용도 별 LDO 선정 포인트

LDO를 선정하는 주요 포인트는 다음과 같습니다.

필요한 입력전압과 출력전압의 차
배터리의 종단 전압 (최저 전압)이 출력전압과 가까울 경우, Dropout 전압이 작은 LDO가 필수가 된다.
허용되는 발열량
LDO는 (V_in – V_out) × I_out
노이즈 감도
아날로그 회로나 고주파 회로에서는 PSRR이나 저노이즈 특성이 중요시된다.
소비 전류
대기 시의 소비 전류를 최대한 억제하고 싶은 용도로는, Low I_q 형을 우선시한다.
부하 변동과 응답 속도
급격한 부하 변동이 있는 회로에서는 과도 응답이 우수한 LDO를 선택하는 것이 좋다.

LDO의 설계 · 실장 시 다루어야 할 주요 사항

LDO를 실제로 회로에 실장 할 때는 데이터시트에 제시된 권장 부품이나 레이아웃 가이드라인을 참고하면서 각종 특성을 충족시키기 위한 설계가 요구됩니다. 여기에서는 대표적인 설계 흐름이나 유의점을 단계적으로 설명하겠습니다.

LDO의 설계 · 구현에서 다루어야 할 주요 사항

회로 예 · 설계 흐름 (기본 설계~부품 선정)

LDO의 설계 흐름은 대략적으로 다음과 같은 순서로 진행됩니다.

입출력전압 범위 확인
배터리 구동이나 AC 어댑터 등, 상정하는 전원의 최소 · 최대 전압을 파악한다.
필요한 출력 전류 · 부하 특성 확인
최대 부하전류가 몇 A가 되는지, 순간적으로 얼마나 큰 부하 변동이 있는지를 파악한다.
LDO 후보 선정
데이터시트를 참고해 Dropout 전압이나 PSRR, 소비 전류, 보호 기능 등의 요건을 충족하는 제품을 찾는다.
주변 부품 선택
출력 콘덴서의 용량이나 ESR 범위는 LDO의 안정 동작에 직결되므로, 메이커의 권장치를 반드시 확인한다.
열 설계
패키지나 실장 조건을 근거로 하여, (V_in – V_out) × I_out을 허용할 수 있는 범위인지 계산한다. 필요에 따라서 동박 면적을 넓히는 등의 방열 대책을 검토한다.

주변 부품 선정 (입력 / 출력 콘덴서, 역류 방지 다이오드 등)

LDO의 출력 콘덴서는 위상 보상이나 오차 증폭기의 안정 동작을 확보하는 데 중요합니다. 데이터시트에는 권장 용량이나 ESR의 범위가 명시되는 경우가 많으며, 이를 벗어나면 발진이나 과도 응답의 악화로 이어질 가능성이 있습니다.

입력 콘덴서는 순간적인 전류 보조나 입력 전원의 리플 억제를 위해 탑재합니다. 일반적으로는 수 uF의 세라믹 콘덴서가 사용되지만, 큰 부하 변동이 예상되는 경우에는 더 큰 용량을 추가하기도 합니다.

역류 방지 다이오드는 배터리 등의 백업 전원이 있는 경우에 검토됩니다. 복수의 전원이 변환되는 설계에서는, LDO의 패스 소자를 통한 역류를 방지하기 위한 다이오드를 삽입하는 경우가 많습니다.

레이아웃 · 배선의 주의점 (노이즈 대책 · GND패턴 등)

LDO는 기본적으로 노이즈가 적기는 하지만, 레이아웃 시 아래 사항을 주의하시기 바랍니다.

최단 경로 확보
입력 콘덴서나 출력 콘덴서는 LDO Pin 근처에 배치하여, 불필요한 패턴 인덕턴스나 기생 저항을 저감한다.
GND 패턴 일괄 관리
파워 GND와 신호 GND를 필요에 따라 분리하고, 노이즈가 측정계 등에 유입되기 어렵도록 배치한다.
열 확산 확보
방열 패드가 있는 경우는 기판의 내층이나 이면에 through-hole을 설치하여 방열을 촉진한다.

보호 기능의 활용과 전원 시퀀스 (필요 시 간단히)

LDO에는 과전류 보호나 과열 보호 등의 안전 기능이 갖추어져 있는 경우가 많은데, 실제 환경에서 어느 정도의 과부하 상태가 일어날 수 있는지 평가한 후 선택하는 것이 중요합니다.

또한, 멀티 전압의 CPU나 FPGA 등, 복수의 전원 라인을 차례로 구동시킬 필요가 있는 경우에는, LDO의 Enable 단자를 사용한 시퀀스 제어를 실시하는 경우가 있습니다. 딜레이 회로나 마이컴 제어와 조합하여, 필요한 전원이 적절히 구동되도록 설계하면, 시스템 동작의 신뢰성을 높일 수 있습니다.

LDO의 최신 기술 동향

최근의 LDO에서는 보다 엄격한 저전력 요건이나 실장 스페이스 삭감에 대한 요구가 높아지고 있으며, 다음과 같은 기술적 접근이 새롭게 주목받고 있습니다. 이러한 기술은 「초저용량의 출력 콘덴서 대응」이나 「고속 부하 응답 성능의 향상」을 실현하는 것으로, 기존의 LDO에서는 어려웠던 과제를 극복해 가고 있습니다.

LDO의 최신 기술 동향

극소 용량 콘덴서로도 안정 동작할 수 있는 기술

기술 개요
기존의 LDO는 안정 동작을 위해, 1µF 정도의 출력 콘덴서를 필요로 하는 경우가 많았습니다. 최근에는 아날로그 회로의 기생 성분을 철저히 최적화하고, 오차 증폭기나 배선을 개선하여, nF 수준의 콘덴서에서도 발진하지 않도록 제어하는 기술이 개발되었습니다.
주요 장점
- 부품수 · 실장 스페이스의 삭감 : 출력 콘덴서의 용량이나 개수를 대폭 삭감 가능
- 비용 절감 : 콘덴서의 소형화 및 수량 절감으로 비용 절감을 기대할 수 있음
- 신뢰성 향상 : 자동차기기 · 산업기기 등에서 많이 사용되는 콘덴서의 탑재 수량를 줄임으로써, 부품 고장 리스크나 실장 불량 리스크도 저감

고속 부하 응답을 실현하는 기술

기술 개요
부하전류가 급변한 경우에도 출력전압의 변동 폭을 최소화하기 위해, LDO 내부의 귀환 회로나 오차 증폭 회로를 고속화하는 기술이 개발되고 있습니다. 제어계와 보상계를 분할하거나 다단의 전용 앰프를 조합함으로써 불안정한 진동을 발생시키지 않고 응답 속도를 극한까지 높이는 접근법이 대표적입니다.
주요 장점
- 전원 품질 향상 : 디지털 IC의 급격한 소비 전류 변화 및 고정밀도 아날로그 회로의 순간적인 부하 변동에도 신속하게 대응
- 콘덴서 용량 최적화 : 큰 용량을 사용하지 않아도 충분한 응답 성능을 얻을 수 있으므로, 설계의 자유도 확대

새로운 진화와 앞으로의 전개

신기술의 조합
「극소 용량 콘덴서 대응」과「고속 부하 응답 기술」을 조합함으로써, 예를 들어, nF 급 콘덴서를 사용하면서도 급격한 부하 변동에도 출력을 안정화할 수 있는 LDO가 실현되고 있습니다.
확산되는 응용 분야

IoT 기기나 웨어러블 디바이스 등, 저전력과 소형화의 동시 실현 요구는 향후에도 증가할 것으로 생각됩니다. 또한, 자동차기기 분야나 산업기기 분야에서는 실장 스페이스의 삭감과 고신뢰성화 (온도 특성이나 내압 등에 대한 안전 규격 적합)가 동시에 요구되고 있어, 이러한 첨단 기술을 탑재한 LDO가 한층 더 주목받고 있습니다.

반도체 메이커들은 복수의 전원 라인을 집약한 모듈형 LDO나 시스템 전체의 에너지 절약을 실현하는 솔루션을 확충하고 있어, 응용 분야는 점점 넓어지고 있습니다.

마무리

LDO는 입력전압과 출력전압의 차를 억제한 상태로 동작하며, 소형 · 저노이즈 · 에너지 절약이라는 관점에서 많은 기기에 이용되고 있습니다. 모바일기기나 자동차기기, 산업기기 등, 다양한 분야에서 저전력화나 열 대책을 필요로 하는 회로에 적합합니다.

LDO기초 포인트 복습

정의 : Low Dropout 레귤레이터는 입력-출력 간 전압 차가 작아도 동작할 수 있는 리니어 레귤레이터
회로 구성 : 패스 소자와 오차 증폭기, 보호 기능에 의해 출력전압을 안정화한다. Dropout 전압이 낮은 설계가 특징
주요 파라미터 : Dropout 전압, PSRR, 라인 / 로드 레귤레이션, 발열 · 효율, 부하 응답 등이 선정 시 중요
비교 : 스위칭 레귤레이터와 비교해 노이즈가 적고 기존 리니어 레귤레이터보다 낮은 전압차로 동작 가능
설계 및 실장 : 주변 부품의 선정 및 레이아웃이 동작 안정에 직결. 열설계 및 보호 기능 고려도 필요

향후 동향

최근에는 IoT 기기나 웨어러블 단말 등, 배터리 용량이 한정되는 가운데 장시간 구동이 요구되는 분야가 증가하고 있습니다. 이러한 분야에서는 초저 Dropout · 초저 대기전류 사양의 LDO의 수요가 높아지고 있어, 각 메이커가 특성의 향상에 힘쓰고 있습니다. 또한, 오토모티브 시스템 용으로 고내압화한 LDO도 많이 개발되고 있어, 산업기기나 자동차기기 분야에서도 LDO가 활약하고 있습니다.

게다가 복잡한 전원 구성이 필요한 시스템에서는, 스위칭 레귤레이터로 크게 강압하고, 최종단에서 LDO를 이용해 노이즈를 저감하는 수법도 일반적입니다. 이와 같이 LDO는 전원 설계에 있어서 중요한 포지션을 차지하고 있으며, 향후에도 고성능화 · 초저노이즈화 등의 진화가 기대됩니다.

【자료 다운로드】 리니어 레귤레이터의 기초

리니어 레귤레이터의 기초로서, 동작 원리, 분류, 회로 구성에 따른 특징, 장단점을 정리한 자료입니다. 리니어 레귤레이터의 대표적인 사양 (규격치)과 효율 및 열 계산에 대해서도 게재되어 있습니다.

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