저전압 강하 조정기

[섬네일|LM1117 저전압 강하 (LDO) 선형 전압 조정기의 [다이 (집적 회로)|다이.]]
섬네일|LM2940L 조정기 다이

**저전압 강하 조정기**(Low-dropout regulator, **LDO 조정기**)는 공급 전압이 출력 전압에 매우 가깝더라도 작동할 수 있는 DC 선형 전압 조정기 회로의 한 유형이다.
다른 DC-DC 전압 조정기에 비해 LDO 조정기의 장점은 다음과 같다: 스위칭 노이즈가 없으며 (스위칭 조정기와 대조적); 소형 장치 크기 (큰 유도자나 변압기가 필요하지 않음); 그리고 더 큰 설계 단순성 (일반적으로 기준, 증폭기, 그리고 통과 소자로 구성됨). 단점은 선형 DC 조정기가 작동하려면 열을 방출해야 한다는 것이다.

## 역사
조정 가능한 저전압 강하 조정기는 1977년 4월 12일 일렉트로닉 디자인 기사 "고정 IC 조정기에서 벗어나라"에서 처음 등장했다. 이 기사는 당시 내셔널 세미컨덕터에서 근무하던 IC 설계자인 로버트 도브킨이 작성했다. 이로 인해 내셔널 세미컨덕터는 "LDO 발명자"라는 타이틀을 주장한다. 도브킨은 나중에 1981년 내셔널 세미컨덕터를 떠나 리니어 테크놀로지를 설립했으며, 그곳에서 최고 기술 책임자로 재직했다.

## 구성 요소
주요 구성 요소는 전력 FET와 차동 증폭기 (오차 증폭기)이다. 차동 증폭기의 한 입력은 R1과 R2의 저항기 비율에 의해 결정되는 출력의 일부를 모니터링한다. 차동 증폭기의 두 번째 입력은 안정적인 전압 기준 (밴드갭 기준)에서 온다. 출력 전압이 기준 전압에 비해 너무 높게 상승하면, 전력 FET에 대한 구동이 일정한 출력 전압을 유지하도록 변경된다.

## 조정
[섬네일|그림 1: 저전압 강하 조정기의 기본 조정 루프는 [피드백을 통해 출력 전압 (Vout)을 전압 분배기를 거쳐 연산 증폭기의 반전 입력으로 공급하여 Vout이 연산 증폭기의 비반전 입력에 있는 기준 전압보다 일정한 비율로 유지되도록 한다.]]
저전압 강하 (LDO) 조정기는 모든 선형 전압 조정기와 유사하게 작동한다. LDO와 비LDO 조정기 간의 주요 차이점은 회로도 토폴로지이다. 이미터 팔로워 토폴로지 대신, 저전압 강하 조정기는 개방 컬렉터 또는 개방 드레인 토폴로지로 구성되어, 트랜지스터가 조정기에서 사용할 수 있는 전압으로 쉽게 포화 상태로 구동될 수 있다. 이를 통해 비조정 전압에서 조정 전압까지의 전압 강하가 트랜지스터 전체의 포화 전압만큼 낮아질 수 있다.

그림 1에서 연산 증폭기의 비반전 입력에는 다음 전압이 걸린다:V_\text{-} = \frac{R_2}{R_1+R_2} V_\text{out} \ .

이 전압이 Vref보다 낮으면 연산 증폭기는 통과 소자를 켠다. 피드백 루프는 V_\text{-}를 V_\text{ref}와 거의 같게 유지한다. 출력 전압에 대해 풀면 다음을 얻는다:V_\text{out} = \left( 1 + \frac{R_1}{R_2} \right) V_\text{ref} \ .장효과 트랜지스터나 JFET 대신 바이폴라 트랜지스터를 사용하면 이를 제어하는 데 상당한 추가 전력이 손실될 수 있으며, 비LDO 조정기는 그 전력을 전압 강하 자체에서 가져온다. 매우 낮은 Vin-Vout 차이에서 높은 전압의 경우 제어 회로에서 상당한 전력 손실이 발생한다.

전력 제어 소자가 인버터이므로 이를 제어하기 위해 다른 반전 증폭기가 필요하여 단순한 선형 조정기에 비해 회로도 복잡성이 증가한다.

전력 FET는 전력 소비를 줄이기 위해 선호될 수 있지만, FET는 일반적으로 완전히 닫히려면 5~10V가 필요하므로 조정기가 낮은 입력 전압에 사용될 때 문제가 발생한다. 전력 FET는 또한 비용을 증가시킬 수 있다.

## 효율성 및 열 방출
일반적인 LDO의 통과 소자 및 내부 회로 (P_\text{LOSS})에서 소모되는 전력은 다음과 같이 계산된다:

P_\text{LOSS} = \left( V_\text{IN} - V_\text{OUT} \right) I_\text{OUT} + V_\text{IN} I_\text{Q}

여기서 I_\text{Q}는 LDO가 내부 회로에 필요한 정지 전류이다.

따라서 효율성은 다음과 같이 계산할 수 있다:

\eta = \frac{P_\text{IN} - P_\text{LOSS}}{P_\text{IN}}  여기서  P_\text{IN} = V_\text{IN} I_\text{IN}

그러나 LDO가 완전히 작동할 때 (즉, 부하에 전류를 공급할 때) 일반적으로 I_\text{OUT} \gg I_\text{Q}이다. 이를 통해 P_\text{LOSS}를 다음으로 줄일 수 있다:

P_\text{LOSS} = \left( V_\text{IN} - V_\text{OUT} \right) I_\text{OUT}

이는 효율 방정식도 다음으로 줄인다:

\eta = \frac{V_\text{OUT}}{V_\text{IN}}

저전압 강하 선형 조정기를 사용할 때 열 고려 사항을 염두에 두는 것이 중요하다. 높은 전류 및 입력과 출력 전압 사이의 넓은 차이는 큰 전력 손실로 이어질 수 있다. 또한, 차이가 넓어질수록 효율성도 떨어진다. 패키지에 따라 과도한 전력 손실은 LDO를 손상시키거나 열 차단 상태로 만들 수 있다.

## 정지 전류
선형 조정기의 다른 중요한 특성 중 하나는 접지 전류 또는 공급 전류라고도 알려진 **정지 전류**로, LDO의 입력 및 출력 전류 간의 작지만 차이를 설명한다. 즉, 다음과 같다:

I_\text{Q} = I_\text{IN} - I_\text{OUT}

정지 전류는 LDO가 적절한 작동을 위해 내부 회로를 제어하는 데 필요한 전류이다. 직렬 통과 소자, 토폴로지 및 주변 온도가 정지 전류의 주요 기여자이다.

많은 애플리케이션에서는 LDO가 항상 완전히 작동할 필요는 없다 (즉, 부하에 전류를 공급할 필요는 없다). 이 유휴 상태에서도 LDO는 부하가 발생할 경우 내부 회로를 준비 상태로 유지하기 위해 소량의 정지 전류를 계속 소비한다. 부하에 전류가 공급되지 않을 때 P_\text{LOSS}는 다음과 같이 찾을 수 있다:

P_\text{LOSS} =  V_\text{IN} I_{Q}

## 필터링
[섬네일|right|[소형 외형 트랜지스터|SOT23-3 패키지에 담긴 Torex XC6206 3.3V LDO 전압 조정기]]

전압을 조절하는 것 외에도 LDO는 필터로도 사용될 수 있다. 이는 특히 시스템이 스위처를 사용할 때 유용하며, 스위처는 스위칭 주파수에서 발생하는 출력 전압의 리플을 발생시킨다. 이 리플은 그대로 두면 발진기, 데이터 변환기, 및 스위처에 의해 전원이 공급되는 RF 시스템의 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 그러나 스위처뿐만 아니라 모든 전원 공급 장치에는 설계에 바람직하지 않을 수 있는 AC 요소가 포함될 수 있다.

LDO를 필터로 사용할 때 고려해야 할 두 가지 사양은 전원 공급 장치 거부비 (PSRR)와 출력 노이즈이다.

## 사양
LDO는 드롭아웃 전압, 정지 전류, 부하 조절, 라인 조절, 최대 전류 (통과 트랜지스터의 크기에 따라 결정됨), 속도 (부하 변화에 얼마나 빨리 반응할 수 있는지), 부하 전류의 갑작스러운 과도 현상으로 인한 출력의 전압 변화, 출력 축전기 및 등가 직렬 저항으로 특징지어진다. 속도는 부하 전류가 0mA (무부하)에서 최대 부하 전류로 변할 때 출력 전류의 상승 시간으로 표시된다. 이는 기본적으로 오차 증폭기의 대역폭에 의해 결정된다. 또한 LDO는 모든 상황에서 조용하고 안정적인 출력을 제공할 것으로 예상된다 (가능한 교란의 예: 입력 전압 또는 출력 전류의 급격한 변화). 안정성 분석은 이러한 동작을 얻기 위한 몇 가지 성능 지표를 제시하며, 극점과 영점을 적절히 배치하는 것을 포함한다. 대부분의 경우 낮은 주파수에서 지배적인 극점이 발생하고 다른 극점과 영점은 고주파수로 밀려난다.

### 전원 공급 장치 거부비
PSRR은 LDO가 입력에서 보는 리플을 거부하는 능력이다. 조절의 일환으로, 오차 증폭기와 밴드갭은 비교되는 내부 기준에서 벗어나는 입력 전압의 모든 스파이크를 감쇠시킨다. 이상적인 LDO에서 출력 전압은 오직 DC 주파수로만 구성될 것이다. 그러나 오차 증폭기는 고주파수에서 작은 스파이크를 증폭하는 능력에 제한이 있다. PSRR은 다음과 같이 표현된다:

\text{PSRR}
  = \frac{\Delta V_\text{IN}^2}{\Delta V_\text{OUT}^2}
  = 10 \log \left(\frac{\Delta V_\text{IN}^2}{\Delta V_\text{OUT}^2}\right)\,\text{dB}


예를 들어, 1MHz에서 55dB의 PSRR을 갖는 LDO는 이 주파수에서 1mV의 입력 리플을 출력에서 1.78μV로 감쇠시킨다. PSRR이 6dB 증가하면 감쇠가 약 2배 증가하는 것과 같다.

대부분의 LDO는 낮은 주파수 (10Hz – 1kHz)에서 비교적 높은 PSRR을 갖는다. 그러나 성능 LDO는 넓은 주파수 스펙트럼 (10Hz – 5MHz)에서 높은 PSRR을 갖는다는 점에서 구별된다. 넓은 대역에서 높은 PSRR을 갖는 것은 LDO가 스위처에서 발생하는 것과 같은 고주파 노이즈를 거부할 수 있게 한다. 다른 사양과 마찬가지로 PSRR은 주파수, 온도, 전류, 출력 전압 및 전압 차이에 따라 변동한다.

### 출력 노이즈
필터 설계 시 LDO 자체의 노이즈도 고려해야 한다. 다른 전자 장치와 마찬가지로 LDO는 열잡음, 바이폴라 푸아송 잡음 및 플리커 잡음의 영향을 받는다. 이러한 각 현상은 출력 전압에 노이즈를 기여하며, 대부분 주파수 스펙트럼의 낮은 끝에 집중된다. AC 주파수를 적절하게 필터링하려면 LDO는 입력에서 리플을 거부하면서 출력에서 최소한의 노이즈를 도입해야 한다. 시끄러운 LDO가 출력에서 그 노이즈를 다시 추가한다면 입력 전압에서 리플을 감쇠하려는 노력은 헛수고가 될 수 있다.

### 부하 조절
부하 조절은 변화하는 부하 조건에서 지정된 출력 전압을 유지하는 회로의 능력을 측정한 것이다. 부하 조절은 다음과 같이 정의된다:

\text{Load Regulation} = {\Delta V_\text{OUT} \over \Delta I_\text{OUT}}

출력 전압 변동의 최악의 경우는 부하 전류가 0에서 최대 정격 값으로 또는 그 반대로 전환될 때 발생한다.

### 라인 조절
라인 조절은 변화하는 입력 전압에서 지정된 출력 전압을 유지하는 회로의 능력을 측정한 것이다. 라인 조절은 다음과 같이 정의된다:

\text{Line regulation} = {\Delta V_\text{OUT} \over \Delta V_\text{IN}}

부하 조절과 마찬가지로 라인 조절은 정상 상태 매개변수이며, 모든 주파수 구성 요소는 무시된다. DC 개방 루프 전류 이득을 높이면 라인 조절이 향상된다.

### 과도 응답
과도 응답은 부하 전류 계단 변화에 대한 최대 허용 출력 전압 변동이다. 과도 응답은 출력 축전기 값 (C_\text{OUT}), 출력 축전기의 등가 직렬 저항 (ESR), 부하 과도 응답을 개선하기 위해 출력 축전기에 일반적으로 추가되는 바이패스 축전기 (C_\text{BYP}) 및 최대 부하 전류 (I_\text{OUT,MAX})의 함수이다. 최대 과도 전압 변동은 다음과 같이 정의된다:

\Delta V_\text{TR,MAX} = \frac{I_\text{OUT,MAX}}{C_\text{OUT} + C_\text{BYP}} \Delta t_1 + {\Delta V_\text{ESR}}

여기서 \Delta t_1은 LDO 조정기의 폐루프 대역폭에 해당한다. \Delta V_\text{ESR}은 출력 축전기의 ESR (R_\text{ESR}) 존재로 인해 발생하는 전압 변동이다. 애플리케이션에 따라 이 값이 얼마나 낮아야 하는지가 결정된다.

## 같이 보기

* 선형 조정기
* 저전압 감지 (때때로 LDO 조정기와 혼동됨)
* 전압 조정기
* 전압 조정기 모듈
* 스위치 모드 파워 서플라이
* 선형 집적 회로 목록
* LM7805

## 각주

## 외부 링크
* 저전압 강하 조정기 이해 - 기본
* LDO 조정기 이해 - TI
* LDO의 노이즈 및 PSRR 이해 - All About Circuits
* LDO의 노이즈 이해 - TI
* TI LDO 애플리케이션 노트 색인 - TI

분류:전압 조정