선형 전압 레귤레이터(Linear Voltage Regulator)

선형 전압 레귤레이터(Linear Voltage Regulator)

Embedded system을 설계하려면 가장 먼저 고려해야 할 점이 '전원회로를 어떻게 구성할 것인가' 이다. 

 

특히 휴대용 Embedded system을 설계할 때는 가장 중요한 부분이라고 할 수 있겠다.

요즘 스마트폰이나 테블릿 들이 여러 새로운 기능으로 변신을 하고 있지만, 여전히 가장 중요한 것 중 하나는 배터리(Battery)의 크기를 소형화 하는 것과 장치 자체가 사용하는 전력소모를 줄이는 것이다.

 

여기서는 간단히 Embedded system 설계에 필요한 Power 회로의 특징을 이해하는 정도만 알아보겠다.

 

첫 순서로 가장 많이 그리고 쉽게 사용하는 Linear Voltage Regulator 이다.

Linear Voltage Regulator 하면 그 용어가 생소할 수도 있는데...

우리가 +5V를 위해 흔히 사용하는 7805와 같은 3-단자 Voltage Regulator가 Linear Voltage Regulator 이다.

 

Linear Voltage Regulator는 일종의 가변저항으로 생각하면 되겠다.

즉, 일정한 Regulator 출력전압을 유지하기 위해 "Voltage Controlled Current Source"를 사용한다.

Voltage-Controlled Current source diagram

아래쪽의 직사각형 부분인, Sense/Control circuitry는 출력전압을 감지(sensing)하고 (부하에 의해 더 많은 전류가 필요할 경우) 원하는 값으로 출력전압을 유지하기 위해 Current source를 조정하여 부하로 공급되는 전류를 제어한다.

물론, Current source의 조정은 regulator의 최대 부하 전류 허용범위에 한정된다. 쉽게 말해서, 부하전압(현재 회로에 걸리는 전압)이 지정된 출력전압 이하로 떨어지면 부하에 더 많은 전류를 공급해서 출력전압을 상승시키고 출력전압이 지정된 출력전압 위로 상승하면 부하에 공급되는 전류를 줄여서 출력전압이 떨어지도록 계속해서 제어하는 것이다.

 

회로 설명에서 알수 있듯, 어떤 스위칭 동작이 없이 부하에 계속적으로 전류가 흐르게 된다. 따라서, Linear Regulator는 Switching Noise를 발생하지 않는다.

그리고, Power 회로를 구성하는데 주변 부품을 거의 필요로하지 않으므로 공간이 문제가 되는 곳에 적합하다고 할수 있겠다.

이 두가지 정도가 장점이다.

단점은 발생하는 열이 많아서, 필요할 경우 방열판이나 냉각팬을 설치하는 등의 방열을 위한 조치를 해야한다.

그리고 열이 발생되는 만큼 효율도 낮다고 할수 있겠다.

 

적용에 적합한 Linear Regulator의 선정시 고려해야 하는 요소들

 

1. Maximum Load Current 

Worst-case 동작 조건에서 부하에 충분한 전류를 공급하도록 Regulator를 선정

2. Type of Input Voltage Source (Battery or AC) 

Battery-powered application : LDO(Low Dropout) regulator (Best Choice)

Input 전압을 보다 많이 사용하기 위해 일반적으로 Linear Regulator는 입력과 출력 사이에 2V 이상의 전압차가 필요하다. (LDO Regulator는 Voltage drop이 0.5V ~ 1.3V로 작다.) 

 

AC : AC를 정류해서 regulator에 입력되는 DC 전압을 얻을 경우 regulator의 dropout  voltage는 더 이상 큰 문제가 아니다.

AC transformer의 2차측 전압을 올려 충분한 regulator input 전압을 얻을 수 있기 때문이다. 이런 경우 경제적이고 보다 많은 부하전류를 공급할 수 있는 “Standard regulator"가 일반적으로 선택되며, 보다 정밀한 출력전압을 요구할 경우 ”LDO regulator"가 'Best Choice'가 될 수 있다. 

3. Output Voltage Precision(Tolerance)

대부분의 linear regulator는 5% 범위 내에서 출력전압을 보장하며 이는 대부분의 응용에 있어 적합한 수준이다.

 

4. Quiescent (Idling) current

Battery-powered application에서 특히 중요한 인자로 idle 상태에서 소자가 source로부터 끌어오는 전류를 말한다.

몇몇 application에서 regulator는 대부분의 시간동안 standby (또는 shut off) 상태에 있다가 main regulator가 fail 된 경우에만 부하전류를 공급할 수도 있다.

이런 경우 Quiescent current가 battery 수명을 결정한다. 대부분의 typical regulator는 수 milliamps의 Quiescent current를 가지고 LDO type은 75 ~ 150㎂ 정도이다.. 

[출처] Linear Voltage Regulator|작성자 seo0511

[출처] Linear Voltage Regulator|작성자 seo0511