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리니어 레귤레이터는 시리즈 레귤레이터(Series Regulator) 라고도 한다. 리니어 레귤레이터의 동작을 난폭하게 설명하면, 그림 1과 같이 입력 전압 Vin보다 낮은 DC 전압을 얻을 목적으로 저항 R을 회로 안에 넣어 강인하게 전압을 저하시킴으로써 원하는 전압을 얻는다.
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저효율에도 불구하고 간단한 회로구성과, 저렴한 가격, 그리고 noise 발생이 없다는 장점 때문에 다양한 곳에 적용되고 있는 Linear Voltage Regulator에 대해 자세히 알아봅니다.
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DC/DC컨버터 – 리니어 레귤레이터, 스위칭 레귤레이터
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Source: eunkyovely.tistory.com
Date Published: 2/26/2021
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[전자 회로 공부] 레귤레이터 공부 : 네이버 블로그
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Source: m.blog.naver.com
Date Published: 10/26/2021
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주제에 대한 기사 평가 리니어 레귤레이터
- Author: ENGClassroom서민상
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- Date Published: 2020. 9. 13.
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i-매거진
[아날로그 회로집] 기본 중의 기본! 리니어 레귤레이터리니어 레귤레이터의 동작
출력 전압을 겨우 일정하게 유지하고 있는데, 식히고 싶다
리니어 레귤레이터(Liner Regulator)에 대해 설명한다. 리니어 레귤레이터는 시리즈 레귤레이터(Series Regulator) 라고도 한다.
1. 동작의 기본 … 저항으로 전압을 강하시켜 전원전압에서 원하는 전압을 얻는다
리니어 레귤레이터의 동작을 난폭하게 설명하면, 그림 1과 같이 입력 전압 V in 보다 낮은 DC 전압을 얻을 목적으로 저항 R을 회로 안에 넣어 강인하게 전압을 저하시킴으로써 원하는 전압을 얻는다.
이 때, 저항 R에는 입력 전압 V in － 출력 전압 V out 의 전압이 걸려 있다. 또한, 저항 R에는 전류 I out 이 흐르고 있다. 따라서 저항 R에는 다음과 같은 전력 손실이 발생한다.
전력 손실 P R 은 저항을 따뜻하게 한다. 즉, 원하는 전압을 얻는 대가로 저항 R에서 전력 P R 을 소비하는 것이다.
부하 전류에 변동이 없으면 그림 1과 같은 방법을 사용할 수 있을지도 모르지만, 유감스럽게도 전류 변동이 없는 부하는 탁상공론이며 현실에서는 있을 수 없다. 이것을 해결하기 위해서는 출력 전압이 일정해지도록 저항 R을 가변하면 될 것이다. 가변저항과 모터를 준비하고 출력 전압이 일정해지도록 가변저항을 돌리자… 라는 것은 물론 농담이다.
전자회로에서는 이 문제를 더 스마트하게 해결할 수 있다. 저항 R 대신 파워 트랜지스터나 파워 MOSFET(대전류 대응 타입 트랜지스터나 MOSFET)을 회로에 넣어 ON 저항을 가변시킴으로써 출력 전압을 일정하게 유지한다.
▲그림 1. 리니어 레귤레이터의 원리 (저항으로 전압을 강하시켜 원하는 전압을 얻는다.
부하 전류가 변하면 저항값이 자동적으로 변해 원하는 전압을 유지한다)
2. 리니어 레귤레이터는 대패
실제로 리니어 레귤레이터의 동작은 그림 2에 나타난 대패질과 같다. 그림 2(b)와 같이 여분의 입력 전압에 대패질을 실시하여 출력 전압이 될 때까지 깎아낸다. 그 결과 매끈매끈한 면, 즉 일정한 출력 전압을 얻을 수 있다.
▲그림 2. 대패질 이미지 (대패질을 하면 나무 표면은 매끈매끈해진다.
리니어 레귤레이터에 걸면 출력 전압값이 매끈매끈해진다)
3. 기본 회로 … OP 앰프 전류 버퍼 회로
리니어 레귤레이터의 기본 회로는 그림 3(a)에 나타난 바와 같다. 트랜지스터 Q 1 의 컬렉터-이미터 전압은 항상 입력 전압 Vin－출력 전압 Vout이다. 이 전압 V in －V out 이 대패로 깎는 전압이다. 가령 입력 전압 V in 이 높아졌다고 하자. 그 결과 대패로 깎은 전압 V in －V out 이 커지고, 출력 전압 V out 은 일정하게 유지된다.
▲그림 3. 리니어 레귤레이터는 OP 앰프 전류 버퍼 회로 [회로도는 그리는 방법에 따라 감이 오거나 오지 않는다.
일반적으로 리니어 레귤레이터는 (a)가, OP 앰프 전류 버퍼 회로는 (b)가 많다]
그림 1의 저항 R을 예로 들어, 입력 전압 V in 이 높아지면 그만큼 트랜지스터 Q 1 의 ON 저항이 높아지도록 피드백이 작용한다. 그 결과 입력 전압 V in －출력 전압 V out 이 커지고 출력 전압 V out 은 일정하게 유지된다.
여기서 그림 3(a)의 회로를 다시 그려 본 것이 그림 3(b)이다. 잘 살펴보면 그림 3(a)와 그림 3(b)는 같은 회로이다. 그림 3(b)의 회로는 OP 앰프 교과서에서 흔히 볼 수 있는 출력 전류를 증가시키는 회로로, 전류 버퍼 회로라고 한다. 즉, 리니어 레귤레이터는 OP 앰프 전류 버퍼 회로인 것이다.
그림 3(b)의 회로는 OP 앰프에 트랜지스터의 이미터 폴로어 회로가 추가되었다. 이미터 폴로어 회로이므로 트랜지스터 부분에는 전압 게인이 없다. 그렇게 되면 출력 전압 V out 은 OP 앰프의 비반전 앰프에 전압 V ref 가 입력되었다고 간주할 수 있으므로 출력 전압은 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.
4. 출력 전압을 일정하게 하는 대가로, 깎아낸 전압이 열로 바뀐다
그런데 깎인 입력 전압의 일부는 어떻게 될까. 나무를 깎은 후 대패칩은 버려진다. 리니어 레귤레이터도 마찬가지로 재이용되는 경우는 없다. 깎인 전압은 입력 전압 V in －출력 전압 V out 이다. 입력에서 출력으로 출력 전류 I out 이 흐르고 있으면, (입력 전압 V in －출력 전압 V out )×출력 전류 I out 의 전력이 트랜지스터 Q 1 에서 소비된다. 즉, 깎인 전압은 리니어 레귤레이터에서 열로 된다. 바꿔 말하면, 출력 전압 V out 이 일정해진 대가로 (V in －V out )I out [W]의 전력이 열로 된 것이다.
5. 소비전력 1W 이하에서 사용하는 것이 현실적
열이 발생했다고 해서 리니어 레귤레이터에 대형 방열 팬을 달아 냉각하는 것은 현명하지 않다. 그 정도 크기의 전력을 다룰 경우, 나중에 설명하는 DC-DC 컨버터가 최적이다. 리니어 레귤레이터가 소비하는 전력은 5W 정도가 상한이며, 1W 이하에서 사용하면 방열 팬이 필요 없어지므로 현실적이다.
6. 소비전력을 낮게 억제하는 요령 … 입력 전압을 낮춘다
리니어 레귤레이터의 손실을 가능한 한 억제하려면 입력 전압 V in 을 가급적 낮게 하거나 출력 전류 I out 을 작게 하는 2가지 방법이 있다. 출력 전류 Iout은 부하 측 사정에 따라 결정되므로 입력 전압 V in 을 가급적 낮게 사용하자.
(1) 입력 전압에 하한값 ‘출력 전압＋2.5V’가 있는 이유
그림 3의 회로에서 입력 전압 V in 을 점점 낮추면, 마침내 출력 전압 V out 도 일정하게 유지할 수 없게 된다. 즉, 출력 전압 V out 을 일정하게 유지하는 데에는 입력 전압 V in －출력 전압 V out 에 하한 전압이 있다. 하한 전압은 회로 설계에 따라 다르지만 1.5V에서 2.5V 정도이다. 즉, 그림 3의 회로에서 입력 전압 V in 은 출력 전압 V out ＋2.5V 정도 필요하다.
실제 그림 3의 회로에서는 트랜지스터 Q 1 의 컬렉터-이미터간 전압을 1V 이하로 하기가 어렵다. 그 이유는 트랜지스터 Q 1 의 베이스 전압 V B 가 항상 출력 전압 V out 보다 베이스-이미터간 전압 V BE (≒0.6V)만큼 높아야 하기 때문이다. 즉, OP 앰프 U 1 의 출력 전압은 V out ＋V BE 이상이어야 한다.
입력 전압 V in 이 내려가서 V out ＋V BE ≧ V in 이 되면 어떠한 OP 앰프를 이용해도 V out ＋V BE 이상의 출력 전압은 나오지 않으며, 이 시점에서 출력 전압 V out 이 내려가기 시작하는 것이다.
이 문제는 OP 앰프의 전원을 입력 전압 V in 에서가 아니라 입력 전압 V in 에서 3V 정도 높은 전압으로 하거나 별도의 전원으로 하면 개선할 수 있다.
발열을 억제하여 사용할 수 있는 저손실 타입의 리니어 레귤레이터
전원전압이 낮고 소비전류가 큰 CPU나 FPGA에 적합
1. 입력 전압을 거의 끝까지 낮춰도 동작한다
리니어 레귤레이터는 입력 전압 Vin을 낮추면 전력 손실이 작아지지만 그림 3에서의 입력 전압 V in 은 출력 전압 V out ＋ 2.5V 정도가 하한이었다. 이 2.5V를 더 작게 하려는 노력이 이루어져 그림 4와 같이 저손실형이라고 불리는 회로 방식이 등장했다. 그림 4의 회로는 대전류를 제어하는 트랜지스터 Q 1 이 pnp형으로 되어 있는 것이 특징이다. 여기서 트랜지스터 Q 1 의 베이스 단자 전압은 입력 전압 V in －베이스-이미터간 전압 V BE , 즉 V in －V BE 가 된다.
트랜지스터 Q 1 의 베이스 단자는 트랜지스터 Q 2 의 컬렉터와 저항 R 4 와 접속하므로 Q 1 의 베이스 전압은 0V 가까이까지 낮출 수 있다. 입력 전압 V in 이 내려가도 트랜지스터 Q 1 의 베이스 단자 전압 V in －V BE 를 0V 부근까지 낮출 수 있다.
최종적으로는 트랜지스터 Q 1 을 포화 영역까지 사용할 수 있다. 트랜지스터 Q 1 이 포화되면 컬렉터-이미터간 전압은 0.3V 정도의 전압이 된다. 트랜지스터 Q 1 이 포화되기 직전까지 컬렉터-이미터간 전압＝입출력간 전압 V in －V out 이 0.3V보다 약간 큰 0.5V 정도까지 출력 전압 V out 을 제어할 수 있다. 그림 4에 나타난 저손실형 리니어 레귤레이터의 입력 전압 V in 은 출력 전압 V out ＋0.5V 정도까지 낮출 수 있다.
▲그림 4. 저손실 타입 리니어 레귤레이터의 기본 회로
2. 주요 용도 … CPU/FPGA용 전원
저손실형 리니어 레귤레이터가 특히 그 위력을 발휘하는 것은 CPU, FPGA 등의 코어용 전원으로 사용한 경우이다. 몇 가지 예를 들어 보자.
① 사례 1
주전원 3.3V에서 코어 전압 2.5V로 변환,
출력 전류 I out ＝1A(출력 전력 2.5W)
저손실형 리니어 레귤레이터의 전력 손실
② 사례 2
주전원 2.53V에서 코어 전압 1.8V로 변환,
출력 전류 I out ＝1A(출력 전력 1.8W)
저손실형 리니어 레귤레이터의 전력 손실
3. 저손실 타입 사용 시 주의해야 할 점
(1) 입력 전압 V in 이 높을 때는 의미가 없다
전력 손실 관점에서 봤을 때, 저손실형 리니어 레귤레이터는 멋지다. 이것은 입력 전압 V in 이 낮아도 동작할 수 있기 때문이다. 만약 입출력간 전압 V in -V out 이 3V 이상 걸어 사용하면, 일반적인 리니어 레귤레이터와 전력 손실이 같다.
(2) 안정도가 떨어진다
저손실형 리니어 레귤레이터는 일반적인 리니어 레귤레이터에 비해 안정도가 떨어진다. 이것은 저손실형 리니어 레귤레이터에서는 그림 4에 나타난 회로와 같이 트랜지스터 Q 1 의 컬렉터가 출력으로 되어 있기 때문이다. 결론부터 말하자면, 출력 측 커패시터 C 2 가 적층 세라믹 커패시터와 같은 저ESR 타입인 경우 불안정해지기 쉽다.
(3) 저소비전력화가 진행되는 최신 마이컴에는 필요 없다
CPU/FPGA용 전원에는 저손실형 리니어 레귤레이터라고 했지만, 반드시 그렇지 않은 경우도 있다.
현대의 CPU/FPGA는 전원전압이 저전압화되고 있다. 저전압화에는 확실히 저손실형 리니어 레귤레이터가 적합하다. 한편, CPU/FPGA 자체도 전력절감화 방향으로 나아가고 있다.
최신 CPU의 예를 들어 RL78/I1A(르네사스일렉트로닉스)로 실험해 보면, 16비트 CPU에서 곱합 연산 기능이 탑재되어 있음에도 불구하고 전원전류가 4.7mA였다. 이렇게까지 전원전압이 적으면 DC-DC 컨버터 등이 전혀 필요없다. CPU에 고분해능 A-D 컨버터를 탑재했으므로 저손실 타입이 아니라 출력 리플이 적은 일반적인 리니어 레귤레이터가 더 최적일 것이다. 기술 진보에 따라 선택하는 리니어 레귤레이터도 변하고 있다는 뜻이라고 생각된다.
다양한 리니어 레귤레이터 IC
기본 중의 기본! 3단자 레귤레이터에서 디스크리트의 저노이즈 회로까지
1. 이것이 기본! 3단자 레귤레이터 7805
리니어 레귤레이터가 일렉트로닉스 분야에서 널리 유통되고 있는 것은 3단자 레귤레이터(그림 5)가 출현했기 때문이라고 생각된다. 3단자 레귤레이터의 내부는 그림 3, 그림 4와 등가이지만 그 이름대로 입력 전압 단자, 그라운드, 출력 전압 단자의 단자 3개밖에 없는 디바이스이다. 적은 부품과 편리성 때문에 3단자 레귤레이터를 사용하지 않는 전자기기를 찾는 것이 어려울 정도이다.
그림 5에 나타난 3단자 레귤레이터 NJM7805(신일본무선)는 기본 중의 기본으로, 정격 출력 전류 1.5A의 디바이스이다. 가격도 저렴하여 널리 사용되고 있다. 그림 5의 다이오드 D 1 은 입력 전압 V in 이 OFF되어 저감될 때, 내부 트랜지스터에 큰 역방향 전압(최악의 출력 전압 V out 과 같은 전압)이 가해지는 것을 방지한다. 범용적인 정류 다이오드를 사용할 수 있다.
(1) 기본이 되는 이유 ① … 다양한 출력 전압
모델명 7805는 ＋5V 출력을 나타내며, 그 외에는 7812가 ＋12V, 7815가 ＋15V 출력으로 되어 있다.
(2) 기본이 되는 이유 ② … 정격 전류도 다양
또한, 정격 전류도 0.5A 타입의 78M05, 0.1A 타입의 78L05로 시리즈화되어 있으며 종류도 풍부하다.
(3) 기본이 되는 이유 ③ … 다양한 반도체 회사에서 판매
동일한 모델명으로 각 반도체 회사에서 발매되고 있다.
(4) 기본이 되는 이유 ④ … 다양한 부전압 출력 타입
마이너스 전압 출력인 7905나 7805와 마찬가지로 시리즈화되어 있으며 이것도 종류가 풍부하다. 78** 시리즈와 비교하면 불안정하므로, 출력 측 커패시터의 커패시턴스는 메이커의 데이터시트를 참고하기 바란다.
그림 5. 기본 중의 기본! 5V 출력의 3단자 레귤레이터 7805
2. 78** 시리즈 외 … 소비전류가 신경쓰이는 용도에 사용
78** 시리즈의 문제점도 지적해 둔다. 이러한 78** 시리즈는 오래 전에 설계되었고 디바이스 내부의 소비전류가 다소 커 4mA 전후이다. 78L05는 내부 소비전류가 2mA나 된다. 그러므로 이 디바이스를, 10mA 이하로 출력 전류가 적은 용도에 사용할 경우 망설이게 된다.
78** 시리즈가 아닌 새로운 3단자 레귤레이터는 이 점까지 고려하여 자체 소비전류를 1/10 이하로 줄였다.
3. 사용자가 출력 전압을 설정할 수 있는 타입
출력 전압이 정해져 있을 경우 78** 시리즈의 3단자 레귤레이터에서 선정하면 충분하다. 하지만 출력 전압을 유저 측에서 설정하고자 할 때를 위해 조절할 수 있는 타입도 발매되고 있다.
기본은 그림 6(a)에 나타난 317이다. 출력 전압 V out 은 그림 6(a)의 회로에서 식 (3)에 따라 설정할 수 있다.
317은 기본이지만 이것도 좀 오래 전에 설계되었다. 그래서 새로운 디바이스도 소개해 둔다. 그림 6(b)의 LT3080(리니어 테크놀로지)은 저항 1개로 출력 전압 V out 을 가변할 수 있으며 출력 전압 V out [V]은 간단히 정할 수 있다.
또한, LT3080은 저손실형 리니어 레귤레이터이기도 하다.
그림 6. 이용자가 출력 전압을 설정할 수 있는 타입
4. 저손실 타입 … 고정 전압형과 전압 가변형
LDO(Low DropOut) 타입으로 불리는 저손실형 리니어 레귤레이터는 시대적인 요구 때문인지 최근 종류가 매우 많아지고 있다. 그림 7(a)는 가장 심플한 출력 전압 고정 타입이다. 그림과 같이 부품 수가 최소한으로 매우 적은 것도 특징이다.
그림 7(b)는 출력 전압 설정용 단자를 준비한 출력 전압 가변형 LDO이다. 2개의 외부 저항으로 출력 전압을 가감할 수 있다. 그림 7(c)는 고속 응답과 같이 LDO가 약한 분야를 극복한 새로운 디바이스이다. 출력 전압 가변형 LDO이지만 저항을 외장하지 않고 핀을 여러 개 준비하여 그 핀을 오픈으로 하거나, 그라운드에 접속하여 출력 전압을 선택하는 구조이다. 성능은 훌륭하지만 패키지가 QFN이므로 어느 정도 보급될지 앞으로 기대된다.
▲그림 7. 저손실 타입의 리니어 레귤레이터
5. 초저노이즈 회로 … 기준 전압의 노이즈 저감
그림 8은 디스크리트 부품으로 구성한 리니어 레귤레이터이며 초저노이즈라는 것이 특징이다.
일반적으로 리니어 레귤레이터는 스위칭 방식 DC-DC 컨버터와 비교했을 때 압도적으로 낮은 노이즈이다. 그래도 리니어 레귤레이터로부터의 노이즈가 제로인 것은 아니다. 그 원인은 리니어 레귤레이터 IC 내부의 기준 전압 V ref 에 있다. IC 내부의 기준 전압 V ref 는 밴드갭으로 만들어져 있어, 약간이기는 하지만 밴드갭이 노이즈를 발생시킨다. 이 노이즈가 리니어 레귤레이터의 출력에 나타나는 것이다.
때문에 그림 8에서 기준 전압 V ref 는 저노이즈 제너 다이오드로 만들고 그 출력을 저항 R 6 , 커패시터 C 4 의 LPF로 통과시킴으로써 노이즈를 차단하여 노이즈를 줄였다.
▲그림 8. 디스크리트로 만들면 가능한 저노이즈 전원 회로
本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.
[레귤레이터] 레귤레이터란? 리니어와 스위칭 레귤레이터 비교
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안녕하세요. 취업한 공대누나입니다.
오늘은 Regulator IC에 대해 알아보겠습니다.
조금 복잡한 설계를 하다보면 한 회로에서 여러 전원을 사용해야하는 경우가 있는데요.
그럴 때 입력 전원이 원하는 전원으로 모두 들어오지 않는 이상
꼭 사용해야 하는 IC가 바로 Regulator입니다.
그렇다면 레귤레이터에 대해 알아보도록 하겠습니다.
1. Regulator란?
우선 레귤레이터란 일정한 전압을 출력해주는 IC입니다.
회로에 내가 원하는 전원을 다 입력으로 넣을 수 있으면 좋겠지만 현실적으로 그러기는 쉽지 않습니다.
예를 들어 입력 전원이 12V인데
회로 내부에 있는 OPamp를 구동시키기 위해 15V 전원이 필요하고
래치 IC를 동작시키기 위해 5V 전원이 필요하고
MCU를 동작시키기 위해 3.3V 전원이 필요하다면 어떻게 해야할까요?
이럴 때 바로 Regulator IC를 사용하는 것입니다.
그림처럼 12V의 전원을 레귤레이터를 통해 강압 또는 승압을 하여 원하는 출력을 뽑아냅니다.
강압 : 입력전압보다 낮은 전압을 생성
승압 : 입력전압보다 높은 전압을 생성
표의 왼쪽 사진은 제가 실무에서 사용하고 있는 레귤레이터입니다.
사진과 같은 패키지 말고도 여러 타입의 레귤레이터가 있습니다.
각자 원하는 타입을 사용하시면 됩니다.
참고로, 이건 일반적으로? 많이들 사용하시는 방법이기도 한데
레귤레이터의 출력을 위의 사진처럼 LED에 연결해줍니다.
그래서 원하는 전압이 잘 출력되고 있는지 눈으로 쉽게 볼 수 있도록 많이 사용하기도 합니다.
실제 디지털 멀티미터로 출력을 찍어도 쉽게 알 수 있으나
귀찮기도 하고 보기 편하기도 하니 저렇게 회로를 꾸미기도 합니다.
2. 리니어 Regulator란?
레귤레이터는 흔히 리니어(Linear) 방식의 레귤레이터와 스위칭(Switching) 방식의 레귤레이터로 분류합니다.
리니어 레귤레이터는 직접적으로 전압을 떨어뜨리는 방식이며 LDO라고도 많이 말합니다.
입력전원을 낮추는 방식만 가능합니다.
예를 들어서 5V를 3.3V로 만드는 것은 가능한데, 5V를 12V로 승압할 수는 없습니다.
변환 과정에서 열이 많이 발생하고 이러한 열은 전기 에너지가 열로 소모되는 것이라
전력 효율이 낮은 편입니다.
일반적으로 전류 요구량이 낮은 회로에 사용하며, 전류를 높이 이용하려면
방열판을 달아 열을 식혀주어야합니다.
아까 표의 왼쪽 사진이 리니어 레귤레이터의 회로를 구성한 것입니다.
엄청 간단한 것을 확인할 수가 있습니다.
3. 스위칭 Regulator란?
스위칭 레귤레이터는 스위치 소자의 On/Off 반복을 통해 원하는 출력 전압을 만들어내는 소자입니다.
리니어 레귤레이터와는 다르게 강압과 승압이 모두 가능하며 부전압을 생성할 수도 있습니다.
또한 비교적 큰 전력을 흘릴 수 있습니다.
출처 : GS256MF 데이터시트
위의 사진은 디바이스마트에서 아무 스위칭 레귤레이터를 검색하여 데이터 시트를 캡처한 것입니다.
일반적으로 레퍼런스 회로가 다 주어지며 데이터시트를 참고하여 설계하면 됩니다.
LDO와 다르게 다이오드와 인덕터가 추가로 들어가는 것을 확인할 수 있습니다.
부품이 많이 추가되면 뭐가 문제냐 라고 생각하실 수도 있지만
기판 자체를 소형화하기 힘들기도 하고 가격도 더 비싸다는 단점이 있습니다.
4. 리니어와 스위칭의 차이점 및 장단점 비교
LDO Switching 장점 – 회로가 비교적 단순함
– 노이즈가 적음 – 전력 효율 높음
– 승압, 강압, 부전안 변환 가능 단점 – 전력 효율 낮음 (전류를 높이면 발열이 심함)
– 강압만 가능 – 회로가 비교적 복잡함
– 노이즈가 많음 (스위칭 노이즈)
위의 내용을 이해하셨다면 어렵지 않게 받아들이실 수 있는 내용입니다.
자신의 회로에 적합한 것을 찾아 데이터 시트를 보고 설계하면
어렵지 않게 원하는 전압을 출력할 수 있습니다.
어려운 점이 있으면 댓글로 알려주세요
감사합니다.
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DC/DC컨버터 – 리니어 레귤레이터, 스위칭 레귤레이터
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안녕하세요
오늘은 DC/DC컨버터에 대하여 더 알아보고 정리해보겠습니다
지난 포스팅에서 PMIC에 대해서 정리해보았는데 DC/DC컨버터를 이해하시기에 도움이 되니 참고하세요
DC/DC컨버터란 직류를 직류로 변환하는 장치의 명칭입니다.
보통 리니어 레귤레이터, 스위칭 레귤레이터라고 하는데, 이는 변환을 위한 방식에 따라 정해둔 이름입니다.
시스템 온 칩에서도 보면 다양한 칩들이나 회로가 다양한 전압을 요구합니다.
예를 들어, MCU에서 아날로그는 3.3V전압을 필요로 하고 디지털은 1.1~1.4V 전압을 필요하다고 하면
전압을 이에 맞춰 조정해줘야하는 레귤레이터가 필요합니다.
그렇다면 리니어 레귤레이터, 스위칭 레귤레이터를 비교해보겠습니다.
1. 리니어 레귤레이터 (시리즈 레귤레이터)
선형동작으로 인해 리니어 레귤레이터
또는 입출력 사이에 제어소자가 직렬로 배치되어 있으므로 시리즈 레귤레이터라고도 합니다.
리니어 레귤레이터
스위칭 레귤레이터에 비해 리니어 레귤레이터는 설계가 간단하고 부품수가 적기 때문에 비용이 적게 듭니다
노이즈는 적지만 입력전압이 출력전압보다 큰 강압만 가능하며
필요한 전압을 출력하고 나머지는 열로 소모하기 때문에 다소 비효율적입니다.
예를 들면 5V의 입력전압을 3.3V로 맞춰주고 나머지 남는 전압은 열로 소모해버린다는 의미죠
그래서 리니어 레귤레이터는 효율이 다소 낮은편입니다
1) LDO(Low Drop out)
LDO는 일종의 선형 레귤레이터로서 이름 그대로 DC/DC 변환기와 달리
레귤레이팅 할 때 전압강하가 작으며 리플(Ripple)이 작다는 장점이 있습니다.
또한 LDO는 입력전압과 출력전압의 차이가 작아도 출력전압이 안정화되기 때문에
전력효율이 좋은 전원을 실현할 수 있습니다. (초소형, 저소비전압, 고리플제거, 고정밀도)
또한 회로가 DC/DC변환기에 비해 간단하기 때문에 가격도 저렴한 편입니다.
Drop-out전압이란 레귤레이터가 공칭 값 100mV이내로 유지시키는데 필요한
출력전압차동(differential)에 대한 최소한의 입력전압을 의미합니다.
DC/DC컨버터에서 비교적 큰 전압을 넣어준다면
LDO는 1.2V, 1.5V 등 더 정교하게 전압을 변환하여 넣어줍니다.
2. 스위칭 레귤레이터
스위칭 레귤레이터는 인덕터, 콘덴서의 특성을 활용하여 축적된 전력에너지를
스위칭에 의해 제어하기 때문에 전력손실이 작고 효율이 높습니다 (최대 95% 효율)
스위칭 레귤레이터
On/Off 동작만으로 전압변환이 자유롭게 가능하기 때문에
저전압에서 승압, 강압, 정전압 반전 부전압 등 다양하게 가능합니다.
승압형 : 입력전압 < 출력전압 - Boost Converter 강압형 : 입력전압 > 출력전압 – Buck Converter
반전형 : +전압 입력하면 -전압 출력
스위칭 동작으로 인한 노이즈 및 리플 발생, 콘덴서 및 저항과 같은 수동부품, 다이오드 및 트랜지스터 등의
반도체 부품과 자기부품이 필요하기 때문에 회로 구성이 비교적 복잡하고
스위칭 노이즈가 크고 외장부품도 많이 필요합니다.
1) Boost Converter
입력전압에 대해 출력전압을 높여 사용하기 위한 회로로써 Step-up Converter 또는 승압형 컨버터라고 합니다.
Buck Converter와 비교했을 때 스위칭 소자가 인덕터와 다이오드 사이에 연결되어 있습니다.
Boost converter Boost Converter
2) Buck Converter
입력전압에 대해 출력전압을 낮춰서 사용하고 Step-down Converter 또는 강압형 컨버터라고 합니다.
LC필터를 거쳐 출력하고 다이오드는 스위치 소자가 빠르게 On/Off 되었을 때 인덕터에 의해 발생되는 관성 전류가 빠져나갈 수 있게 해주는 역할을 합니다.
Buck Converter Buck Converter
3) Buck-Boost Converter
Buck-Boost Converter는 출력전압이 입력전압보다 낮을수도 있고 높을수도 있는 컨버터입니다.
대용량 파워는 Boost, Buck 소용량 파워는 LDO라고 이해하시면 될 것 같네요 🙂
제가 공부하고 있는 공대 대학원생 브이로그도 보러오세요 🙂
youtu.be/3vdR_2S7skA
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[전자 회로 공부] 레귤레이터 공부
– 표준 타입과 LDO(Low DropOut) 타입으로 구분.
– 회로가 간단하다. 노이즈가 적다. 입출력 전압이 작아도 안정적이다.
– 효율이 나쁘다(소비 전역이 커진다). 발열이 크다.
스위칭 레귤레이터(Switching Regulator)
동작원리 :
1. 출력 전압이 필요한 전압이 될 때까지 스위치 소자를 ON하여 입력에서 출력으로 전원공급.
2. 원하는 전압까지 오르면 스위치 소자가 OFF.
3. 1~2번을 고속 반복함으로 출력전압 조절.
리니어 레귤레이터 원리와 주의사항
리니어 레귤레이터 (Linear Regulator)는 높은 전압을 낮은 전압으로 낮출 때 사용되는 IC이다. 거의 모든 전자회로에 리니어 레귤레이터 또는 스위칭 레귤레이터 (Switching Regulator)가 사용된다. 리니어 레귤레이터는 변환 효율은 낮지만 구성회로가 간단하고 전압 안정성도 높아 스위칭 레큘레이터보다 많이 사용된다.
전자회로에서 전원은 매우 중요하다. 회로를 디버깅할때 보통 레귤레이터의 출력 전압이 안정한지를 가장 먼저 본다. 리니어 레귤레이터는 엄청나게 많이 사용되고 친숙하지만 그 구조를 자세히 알아 본적은 없다.
리니어 레귤레이터의 간략한 구조는 다음 그림과 같다.
출력전압의 분압과 레퍼런스 전압 Vref 를 비교하여 트랜지스터의 콜렉터와 에미터에 걸리는 전압을 조절한다. 따라서, 트랜지스터에 걸리는 전압과 출력전압의 합은 입력전압과 같다. 리니어 레귤레이터의 효율은 다음 식과 같이 매우 나쁘다. 스위칭 레귤레이터는 보통 95% 이상의 효율을 가진다.
+10V를 +5V로 전압을 낮춘다면 효율이 50%가 되며 효율이 매우 나쁘다. Loss는 내부 트랜지스터에서 열로 소비되므로 리니어 레귤레이터는 방열 대책을 잘 세워야 하고 개발시 과열되는지 꼭 확인해 봐야 한다. SMD 타입의 리니어 레귤레이터는 IC 패턴의 면적을 넓혀 방열시켜야 한다.
리니어 레귤레이터는 피드백 제어 시스템이기 때문에 불안정해져서 출력이 진동할 가능성이 있다. 그래서, 입력과 출력측에 반드시 큰 용량의 전해 캐패서터를 달아야 한다. 권장하는 최소 캐패시터 용량은 리니어 레귤레이터의 데이터 시트에 나와 있다.
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