- 전자 공학의 레귤레이터 란?
- LDO와 선형 레귤레이터의 차이점
- LDO 작업
- LDO를 선택할 때 고려해야 할 매개 변수
- LDO의 한계
- 다음 디자인에 LDO를 사용해야합니까?
- 시장에서 인기있는 LDO
- LDO – 예제 디자인
- LDO-PCB 설계 지침
오늘날 전자 장치는 그 어느 때보 다 크기가 축소되었습니다. 이를 통해 스마트 시계, 피트니스 트래커 및 기타 웨어러블 장치와 같은 소형 휴대용 장치에 다양한 기능을 담을 수 있으며 가축 모니터링, 자산 추적 등을위한 원격 IoT 장치를 배포하는데도 도움이됩니다. 이러한 모든 휴대용 장치에서 공통된 사항 중 하나 배터리로 작동한다는 것입니다. 그리고 장치가 배터리로 작동되는 경우 설계 엔지니어는 설계에서 모든 밀리 볼트를 보존하는 구성 요소를 선택하여 사용 가능한 배터리 주스로 장치를 더 오래 실행하는 것이 중요합니다. 이러한 구성 요소는 LDO (Low-Dropout Voltage Regulator) 입니다. 이 기사에서는 LDO에 대해 자세히 알아보고 회로 설계에 적합한 LDO를 선택하는 방법을 알아 봅니다.
전자 공학의 레귤레이터 란?
레귤레이터는 무언가를 조절하는 장치 또는 잘 설계된 메커니즘입니다. 여기서 무언가는 일반적으로 전류의 전압을 나타냅니다. 주로 전자 제품에 사용되는 두 가지 유형의 레귤레이터 가 있는데, 첫 번째는 스위칭 레귤레이터 이고 두 번째는 선형 레귤레이터 입니다. 둘 다 작동하는 아키텍처와 하위 시스템이 다르지만이 기사에서는 다루지 않겠습니다. 그러나 간단히 말해서 레귤레이터가 출력 전류를 제어하는 경우이를 전류 레귤레이터라고합니다. 같은 측면에서 전압 조정기는 전압을 제어하는 데 사용됩니다.
LDO와 선형 레귤레이터의 차이점
선형 레귤레이터는 전원 공급 조정에 사용되는 가장 일반적인 장치 이며 우리 대부분은 7805, LM317과 같은 장치에 익숙 할 것입니다. 그러나 배터리로 작동하는 애플리케이션에서 선형 레귤레이터를 사용할 때의 단점은 선형 레귤레이터의 입력 전압이 항상 조정 된 출력 전압보다 높아야한다는 것입니다. 의미는 입력 전압과 출력 전압의 차이가 높다. 따라서 표준 선형 레귤레이터는 조정 된 출력 전압이 입력 전압의 가까운 값이어야하는 경우 몇 가지 제한이 있습니다.
LDO 작업
LDO는 선형 레귤레이터 왕조의 일부입니다. 그러나 일반 선형 레귤레이터와 달리 LDO에서는 입력 전압과 출력 전압의 차이가 적습니다. 이 차이를 드롭 아웃 전압 이라고 합니다. LDO는 드롭 아웃 전압이 매우 낮기 때문에 로우 드롭 아웃 전압 레귤레이터라고합니다. LDO는 부하와 직렬로 연결된 선형 저항으로 전압을 필요한 수준으로 낮추는 것으로 생각할 수 있습니다. LDO를 갖는 것의 장점은 전압 강하가 저항보다 훨씬 적다는 것입니다.
LDO는 입력과 출력 사이에 낮은 드롭 아웃 전압을 제공하기 때문에 입력 전압이 출력 전압에 비교적 가깝더라도 작동 할 수 있습니다. LDO의 전압 강하는 최대 300mV에서 1.5V 사이입니다. 일부 LDO에서는 전압 차이가 300mV 미만입니다.
위의 이미지는 폐 루프 시스템이 설계된 간단한 LDO 구조를 보여줍니다. 입력 전압에서 기준 전압이 생성되어 차동 증폭기에 공급됩니다. 출력 전압은 전압 분배기에 의해 감지되고 다시 차동 증폭기의 입력 핀에 공급됩니다. 이 두 값, 즉 기준 전압의 출력과 전압 분배기의 출력에 따라 증폭기가 출력을 생성합니다. 이 출력은 가변 저항을 제어합니다. 따라서이 두 값 중 누구라도 증폭기의 출력을 변경할 수 있습니다. 여기서 전압 레퍼런스는 다른 것을 정확하게 감지하기 위해 안정적이어야합니다. 기준 전압이 안정되면 출력 전압의 작은 변화가 저항 분배기를 통해 차동 증폭기의 입력에 반영됩니다.그런 다음 증폭기는 가변 저항을 제어하여 안정적인 출력을 제공합니다. 반면에 전압 레퍼런스는 입력 전압에 의존하지 않으며 차동 증폭기 전체에 안정적인 레퍼런스를 제공하여 일시적인 변화에 영향을받지 않고입력 전압과 무관 한 출력 전압. 여기에 표시된 가변 저항은 일반적으로 실제 구조에서 효율적인 MOSFET 또는 JFET로 대체됩니다. 바이폴라 트랜지스터는 전류 및 열 생성에 대한 추가 요구 사항으로 인해 LDO에 사용되지 않아 효율성이 떨어집니다.
LDO를 선택할 때 고려해야 할 매개 변수
기본 기능
부하에 적절한 전력 공급을 보장하기위한 필수 장치이므로 첫 번째 핵심 기능은 부하 조정 과 안정적인 출력입니다. 부하 전류 변경 중에는 적절한 부하 조절이 필수적입니다. 부하가 증가하거나 감소하면 전류 소비가 조정기의 출력 전압이 변동해서는 안됩니다. 출력 전압의 변동은 전류 암페어 당 mV 범위로 측정되며 정확도라고합니다. LDO 의 출력 전압 정확도 는 출력 전압 의 몇 퍼센트 인 5mV ~ 50mV 범위입니다.
안전 및 보호 기능
LDO는 출력 전체에 적절한 전력 공급을 보장함으로써 기본적인 안전 기능을 제공합니다. 안전 기능은 입력 및 출력 전반에 걸쳐 보호 회로를 사용하여 수용됩니다. 보호 회로는 저전압 보호 (UVLO), 과전압 보호 (OVLO), 서지 보호, 출력 단락 보호 및 열 보호입니다.
경우에 따라 레귤레이터에 제공되는 입력 전압이 상당히 낮게 떨어지거나 높은 값으로 증가 할 수 있습니다. 이로 인해 LDO에서 부적절한 전압 및 전류 출력이 발생하여 부하가 손상됩니다. LDO의 입력 전압이 제한을 초과하면 LDO 및 부하를 보호하기 위해 UVLO 및 OVLO 보호가 트리거됩니다. UVLO의 하한 및 최대 입력 전압 제한은 간단한 전압 분배기를 사용하여 설정할 수 있습니다.
서지 보호 회로는 과도 및 고전압 서지 또는 스파이크로부터 LDO에 대한 내성을 제공합니다. 또한 다른 LDO에서 제공하는 추가 기능입니다. 출력 단락 보호 는 과전류 보호의 한 형태입니다. 부하가 단락되면 LDO의 단락 보호 기능이 입력 전원 공급 장치에서 부하를 차단합니다. 열 보호 는 LDO가 가열되면 작동합니다. 가열 작동 중에는 열 보호 회로가 LDO의 작동을 중지하여 추가 손상을 방지합니다.
추가 기능
LDO는 마이크로 컨트롤러 입력과 통신하기 위해 두 개의 추가 로직 레벨 제어 핀을 가질 수 있습니다. EN이라고도하는 활성화 핀 은 LDO의 입력 핀입니다. 간단한 마이크로 컨트롤러는 LDO의 EN 핀 상태를 변경하여 전원 출력을 활성화 또는 비활성화 할 수 있습니다. 이것은 응용 프로그램을 위해 부하를 켜거나 꺼야 할 때 편리한 기능입니다.
Power Good 핀 은 LDO의 출력 핀입니다. 이 핀을 마이크로 컨트롤러 장치와 연결하여 전력 상태에 따라 로직을 낮게 또는 높게 제공 할 수도 있습니다. 전력 양호 핀의 상태에 따라 마이크로 컨트롤러 장치는 LDO 전체의 전력 상태에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
LDO의 한계
LDO는 낮은 드롭 아웃 전압에서 적절한 출력을 제공하지만 여전히 몇 가지 제한이 있습니다. LDO의 주요 한계는 효율성 입니다. LDO가 전력 손실 및 효율성 측면에서 표준 선형 레귤레이터보다 낫다는 것은 사실이지만 효율성이 주요 관심사 인 휴대용 배터리 관련 작동에는 여전히 적합하지 않습니다. 입력 전압이 출력 전압보다 훨씬 높으면 효율성이 떨어집니다. 전압 강하가 높을수록 열 손실이 증가합니다. 열로 변환되고 히트 싱크가 필요한 과도한 낭비 에너지로 인해 PCB 면적이 증가하고 부품 비용이 발생했습니다. 더 나은 효율성을 위해 스위칭 레귤레이터 는 선형 레귤레이터, 특히 LDO보다 여전히 최상의 선택입니다.
다음 디자인에 LDO를 사용해야합니까?
LDO는 매우 낮은 드롭 아웃 전압을 제공하므로 원하는 출력 전압이 사용 가능한 입력 전압에 매우 가까운 경우에만 LDO를 선택하는 것이 좋습니다. 아래 질문은 회로 설계에 실제로 LDO가 필요한지 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다.
- 원하는 출력 전압이 사용 가능한 입력 전압에 가깝습니까? 그렇다면 얼마입니까? 입력 전압과 출력 전압의 차이가 300mV 미만이면 LDO를 사용하는 것이 좋습니다.
- 원하는 애플리케이션에 대해 50-60 %의 효율성이 허용됩니까?
- 저소음 전원이 필요하십니까?
- 비용이 문제이고 간단하고 부품 수가 적다면 공간 절약 솔루션이 필요합니다.
- 스위칭 회로를 추가하는 것이 너무 비싸고 부피가 큽니까?
위의 모든 질문에 대해 "예"라고 답했다면 LDO가 좋은 선택 일 수 있습니다. 그러나 LDO의 사양은 무엇입니까? 글쎄, 그것은 아래 매개 변수에 따라 다릅니다.
- 출력 전압.
- 최소 및 최대 입력 전압.
- 출력 전류.
- LDO 패키지.
- 비용 및 가용성.
- 활성화 및 비활성화 옵션이 필요하거나 필요하지 않습니다.
- 애플리케이션에 필요한 추가 보호 옵션입니다. 과전류 보호, UVLO 및 OVLO 등
시장에서 인기있는 LDO
Texas Instruments, Linear Technology 등과 같은 모든 단일 전력 IC 제조업체에는 LDO를위한 몇 가지 솔루션도 있습니다. Texas Instruments 는 다양한 설계 요구 사항에 따라 다양한 LDO를 제공합니다. 아래 차트는 광범위한 출력 전류 및 입력 전압을 사용하는 방대한 LDO 컬렉션을 보여줍니다.
마찬가지로, 선형 기술 에서, 아날로그 디바이스는 또한 일부 고성능 저 드롭 아웃 레귤레이터 있습니다.
LDO – 예제 디자인
LDO가 필수 인 실제 사례를 고려해 보겠습니다. 3.7V 리튬 배터리 출력을 짧은 전류 제한 및 열 보호 기능 이있는 안정적인 3.3V 500mA 소스로 변환하기 위해 저렴하고 간단한 공간 절약형 솔루션이 필요하다고 가정합니다. 전력 솔루션은 일부 부하를 활성화 또는 비활성화하기 위해 마이크로 컨트롤러와 연결되어야하며 효율성은 50-60 %가 될 수 있습니다. 간단하고 저렴한 솔루션이 필요하기 때문에 스위칭 레귤레이터 설계를 배제 할 수 있습니다.
리튬 배터리는 완전 충전 상태에서는 4.2V, 완전 방전 상태에서는 3.2V를 제공 할 수 있습니다. 따라서 LDO는 마이크로 컨트롤러 장치에 의해 LDO의 입력 전압을 감지하여 저전압 상황에서 부하를 차단하도록 제어 할 수 있습니다.
요약하자면 3.3V 출력 전압, 500mA 전류, 활성화 핀 옵션, 낮은 부품 수, 약 300-400mV 드롭 아웃 요구 사항, 열 셧다운 기능과 함께 출력 단락 보호가 필요합니다. -마이크로 칩에 의한 3.3V 고정 전압 조정기.
전체 기능 목록은 데이터 시트에서 가져온 아래 이미지에서 볼 수 있습니다.
아래는 핀아웃 과 함께 MCP1825의 회로도입니다. 회로도는 데이터 시트에도 제공되므로 저항 및 커패시터와 같은 외부 부품을 간단히 연결하기 만하면 LDO를 사용하여 최소 전압 dorp로 필요한 전압을 쉽게 조절할 수 있습니다.
LDO-PCB 설계 지침
LDO를 제거하고 설계에 적합하도록 테스트 한 후에는 회로 용 PCB 설계를 진행할 수 있습니다. 다음은 LDO 구성 요소 용 PCB를 설계 할 때 기억해야 할 몇 가지 팁입니다.
- SMD 패키지를 사용하는 경우 LDO가 열을 발산 하므로 PCB에 적절한 구리 영역 을 제공하는 것이 필수적 입니다.
- 구리 두께 는 문제없는 작동의 주요 원인입니다. 2 Oz (70um) 구리 두께가 좋은 선택이 될 것입니다.
- C1과 C2 는 MCP1825에 최대한 가깝게 위치 해야합니다.
- 소음 관련 문제 에는 두꺼운 접지면이 필요 합니다.
- 양면 PCB에서 적절한 열 방출 을 위해 Via를 사용하십시오.