스텝 응답법이란?

대용량 적층 세라믹 콘덴서 (이하, MLCC)가 보편화되지 않았던 시기에 개발된 리니어 레귤레이터는, 출력에 MLCC와 같은 Low ESR 콘덴서를 접속하면 피드백 루프에 위상 지연이 발생하여 발진을 일으키는 경우가 있습니다. 이러한 경우, 출력 콘덴서와 직렬로 저항을 삽입하여, 보여지는 ESR을 크게 함으로써 위상 Phase Lead를 만들어 발진을 회피할 수 있습니다.

직렬로 삽입하는 저항치를 결정할 때에는, 해당 회로에서 리니어 레귤레이터의 실제 위상 마진을 주파수 특성 분석기 (FRA : Frequency Response Analyzer)를 사용하여 확인하는 것이 적합한 방법입니다. 그러나, FRA를 이용할 수 없는 경우나, FRA를 이용할 수 있어도 출력전압 고정형 리니어 레귤레이터인 경우에는 피드백 루프가 IC 내부에 있어 접속할 수 없으므로, FRA에서의 위상 마진 측정은 불가능합니다. 이러한 경우의 대처 방법 중 하나로, 스텝 응답법을 사용하여 간이적으로 리니어 레귤레이터의 안정성을 확인함으로써, 최적화를 도모할 수 있습니다.

스텝 응답법이란?

스텝 응답법은 출력 부하 (출력전류)를 급격하게 변화 (스텝)시킬 때 출력전압의 변동, 즉 부하 과도 응답 특성을 오실로스코프로 확인하면서 적절한 응답으로 조정하는 방법입니다. 이 방법으로는 정확한 위상이나 게인의 측정은 불가능하지만, FRA를 사용하더라도 최종적으로는 반드시 실제의 스텝 응답을 관찰하여 확인해야 합니다. 이러한 의미에서는 실험 베이스가 되기는 하지만, 스텝 응답을 통한 접근 방법에 근거가 없는 것은 아닙니다.

하기는 스텝 응답을 측정하는 회로 예입니다. 셋업은 비교적 간단합니다. 리니어 레귤레이터의 출력에 전자 부하 장치를 접속하여 부하 전류를 급격하게 변화시키고, 오실로스코프를 사용하여 출력전압과 부하 전류를 모니터링합니다.

전자 부하 장치가 없는 경우에는, 트랜지스터 스위치를 이용한 회로를 사용하여 측정할 수도 있습니다. Nch MOSFET의 게이트에 함수 발생기 (Function generator)를 접속하여 트랜지스터를 고속 ON / OFF시킵니다. 트랜지스터 OFF 시에는 전류가 0A, ON 시에는 V_O÷R_L의 전류가 흐릅니다.

부하 전류는 예를 들어 0A에서 해당 리니어 레귤레이터의 최대 출력전류까지, 1A/µs의 slew rate로 급격하게 변화시킵니다. 이러한 급격하고 큰 전류 스텝으로 인해 출력전압은 기본적으로 변동하고, 일정 시간이 지나면 안정됩니다. 그 변화의 크기나 안정화될 때까지의 시간을, 해당 부품의 정수 (이 경우에는 회로도의 R_ESR)를 조정하여 최적화합니다.