#20-1. LDO Regulator 소자 선정 방법

이번 포스팅에서는 LDO 소자를 선택하는 방법에 대해 알아보려고 합니다. 혹시 LDO의 동작 원리가 궁금하신 분은 아래 포스팅을 참고해 주세요.

2023.11.26 - [아날로그 회로] - #20. LDO(Low Drop-Out) 쉽게 이해하기

#20. LDO(Low Drop-Out) 쉽게 이해하기

 

LDO는 전자회로에서 정말 정말 많이 사용하는 소자입니다. 어떤 회로를 설계하든 전원은 공급해야하기에 사용할 수 밖에 없는 소자이죠. 특히나 잡음의 영향성이 낮아야 하는 수신기와 같은 회로에선 두말 할 것도 없이 중요한 소자입니다. 그런데 막상 소자를 선택하기 위해 검색을 해보면 너무나 많은 소자가 있을뿐더러 막상 하나를 골라서 데이터시트를 열어보면 너무 많은 스펙과 스크롤 압박으로 뭘 보고 선택해야할지 두려움이 앞서는 경험을 하게 됩니다.

 

하지만 LDO는 정말 간단한 소자이기 때문에 이번 포스팅 내용만 잘 숙지하신다면 LDO를 선택함에 있어 두려움이 사라지리라 생각합니다. 사실 입출력 전압과 Max Load Current만 잘 보고 선택해도 회로를 동작시키는데는 큰 무리가 없기 때문에 부담이 되는 소자는 아닙니다. 하지만, 주요 스펙들을 고려할 수 있어야 내 회로에 좀 더 적절한 LDO를 선택할 수 있기 때문에 중요한 팩터 몇가지만 알아보도록 하겠습니다. 우선, LDO의 주요 스펙을 보면 아래 6가지로 정리할 수 있습니다. 이 6가지 항목만 잘 알고 있다면 LDO를 선택하는데 있어 별 다른 문제는 없을 겁니다. 

 

▣ LDO 주요 스펙

 1. Input/Output Voltage

 2. Maximum Load Current

 3. PSRR (Power Supply Rejection Ratio)

 4. Quiescent Current

 5. Output noise

 6. Efficiency

 

1. Input/Output Voltage

먼저 LDO의 입력 전압과 출력 전압을 알아야 합니다. ADI에서 제공하는 LDO 소자 중 ADP165를 예로 들어 보겠습니다. ADP165에서 제공하는 데이터시트의 일부를 발췌한 그림 1의 빨간색 밑줄 친 부분을 보면 허용가능한 입력 전압은 2.2V ~ 5.5V, 출력 전압은 1.0V ~ 4.2V 입니다. 따라서, LDO가 공급받는 입력 전압과 LDO가 공급해야 하는 출력 전압을 명확히 인지하고 있어야 합니다. 만약 LDO로 입력되는 전압이 10V라면 해당 소자는 사용할 수 없겠죠. 

 

[그림 1. LDO 입출력 전압 확인]

 

2. Maximum Load Current

LDO는 내부 트랜지스터에 따라 공급할 수 있는 최대 전류의 양이 정해지기 때문에 소자마다 부하단에 공급할 수 있는 최대 전류양이 다릅니다. 따라서, LDO의 부하단에 연결되는 회로가 얼마나 많은 전류를 소모하는지 알고 있어야 합니다. 그림 1의 파란색 밑줄 친 부분을 보면 ADP165에서 공급할 수 있는 최대 전류는 150mA이기 때문에 만약 부하단에서 소모하는 전류가 150mA 보다 크다면 해당 소자를 사용할 수 없습니다.

 

[그림 2. LDO Dropout voltage]

 

그리고 또 한가지 중요한 점은 그림 1의 초록색 밑줄 친 부분으로 출력 전류가 150mA 일 때, dropout voltage가 120mV라는 점입니다. 이 말은 부하단에서 소모하는 전류가 150mA일 때 LDO 내부 트랜지스터(Pass Tr)가 동작하기 위한 최소 V_SD 전압이 120mV 이상이라는 말입니다. 따라서, 입력 전압 V_IN이 LDO에서 공급하려는 전압 V_OUT 보다 최소 120mV 이상은 커야 한다는 사실을 명심해야 합니다. 예를 들어, 부하단에서 소모하는 전류가 150mA이고, V_OUT으로 3.3V를 공급해야 하는데 V_IN에 3.32V를 입력할 경우 출력전압 V_OUT은 3.3V가 아니라 120mV 감소된 3.2V가 됩니다. 그래서 dropout voltage 정보를 잘 확인해야 합니다.

 

3. PSRR

LDO에서 가장 중요한 스펙 중 하나 입니다. PSRR이란 Power Supply Rejection Ratio의 약자로 LDO 입력 전압 V_IN으로 주파수를 가진 AC 신호가 입력될 경우 출력 전압 V_OUT으로 감쇠되어 출력되는 비율을 의미합니다. 수식을 표현하면 아래 수식 1)과 같습니다.

 

수식 1) 

 

아래 그림 3에서 입력으로 주파수를 가진 AC 신호 V_AC,IN이 인가되면 Pass Tr 등에 의해 감쇠된 전압이 출력 V_AC,OUT 으로 나옵니다. 다시 말해, LDO의 입력으로 SMPS에 의해 생성된 리플 신호나 어떤 노이즈가 인가되더라도 PSRR만큼 감쇠되어 출력된다는 의미입니다. 

[그림 3. 입력 AC 전압에 대해 감쇠된 출력 AC 전압]

 

ADP165의 PSRR값을 데이터시트에서 보면 그림 4와 같이 주파수에 따른 PSRR 값으로 표현하는 것을 알 수 있습니다. 또한, Load current나 입출력 전압에 따라서도 달라지기 때문에 PSRR을 볼땐 이를 잘 확인해야합니다.

 

[그림 4. ADP165 IC의 데이터시트에 표기된 PSRR]

 

만약 LDO의 입력단에 연결된 SMPS(Buck 또는 Boost converter)의 스위칭 주파수가 1MHz이고, 부하단에서 소모하는 전류(Load current)가 100mA이상이라면 그림 4에 의해 PSRR 값은 -25dB 수준밖에 되지 않기 때문에 1MHz에서 PSRR 성능이 좋은 다른 소자를 사용하는 것이 현명합니다.

 

4. Quiescent Current

Quiescenet curret란 LDO가 동작 상태에서 LDO의 내부 회로에 의해 소모되는 전류를 의미합니다. 설계하려는 회로 시스템이 소모전류에 민감하지 않다면 굳이 신경쓰지 않아도 되는 스펙이긴 합니다만 자동차 배터리와 같이 대기전력에 민감한 시스템이라면 이 또한 지나칠 수 없는 중요한 팩터입니다.

 

[그림 5. ADP165 데이터시트에 표기된 Quiescent curret]

 

그림 5에서 알 수 있듯 Quiescenet curret는 부하단에서 소모하는 전류에 따라 달라집니다. 보통 회로시스템이 최소한의 동작만 필요한 조건(예를 들면 차량이 주차 되어있는 상태)에서는 LDO의 부하단에 연결된 회로들이 Sleep 모드 또는 OFF 상태로 돌입합니다. 다시말해 부하단에서 소모하는 전류가 극히 적어집니다. 만약 부하단의 소모전류가 100uA라면 Quiescent current는 그림 5에서 알 수 있듯 2.6uA 수준이 됩니다. 차량이 주차중인 상태에서도 LDO에 의해 계속해서 2.6uA의 전류가 누설되고 있다는 의미로 이해할 수 있죠. 따라서, 이런 상황에서는 Quiscent current가 매우 중요합니다.

 

5. Output Noise

LDO에서 Output Noise란 LDO 회로에서 자체적으로 생성한 Noise를 의미합니다. 그림 6에서 LDO 입력으로 아무런 Noise가 유입되지 않더라도 LDO 내부 회로에 의해 출력으로 어떤 Noise가 생긴다는 것을 알 수 있습니다.

 

[그림 6. LDO 내부 회로에 의해 생성된 Output Noise]

 

물론, 이 Noise는 워낙 작아서 일반적인 AMP의 전원 공급용으로 사용할 때는 큰 문제가 되지 않습니다만 민감한 수신감도를 가진 Sensor나 ADC의 Reference 전압으로 사용할 경우에는 굉장히 중요한 요소가 됩니다. 

 

[그림 7. ADP165 데이터시트에 표기된 Output Noise]

 

그림 7은 ADP165의 데이터시트에 기재된 Output noise 값 입니다. LDO의 입력으로 아무런 노이즈 유입이 없을지라도 출력으로 100uVrms 수준의 노이즈 전압이 출력되죠. 출력 전압이 작을수록 Output noise도 같이 작아지는 경향을 나타냅니다.

 

6. Efficiency

마지막 LDO의 효율 입니다. 데이터시트에는 효율을 따로 표시하지는 않습니다. 왜냐하면 LDO에서 효율 계산은 정말 간단하거든요. 효율의 정의는 아래 수식 2)와 같이 입력 전력에 대한 출력 전력의 비율을 의미 합니다.

 

수식 2)

 

LDO에서 소모되는 전류는 그림 8과 같이 총 3가지로 구분할 수 있습니다. OPAMP에 의해 흐르는 I_opamp와 R₁, R₂로 흐르는 전류 I_R, 그리고 Load단으로 흐르는 I_Load 입니다. 입력 전력이 100% 부하단으로 전달되어야 100%의 효율을 나타내지만 실제로는 OPAMP와 Pass TR, 그리고 R₁, R₂에 의해 소모되는 전력이 생기기 때문에 부하단에는 그만큼이 제외된 전력만 전달 됩니다. 

 

[그림 8. LDO에 흐르는 전류 3가지]

 

따라서 효율은 수식 3)과 같이 표현 할 수 있습니다.

 

수식 3)

 

 

수식 3)과 같이 효율을 구하는게 정확하지만 보통 I_opamp나 I_R 값은 I_Load에 비해 굉장히 작기 때문에 생략할 수 있습니다. 그럴 경우 수식 4)와 같이 입력전압과 출력 전압에 대한 비율로 표현됩니다. 

 

수식 4)

 

이렇게 LDO의 효율은 입력 전압과 출력 전압에 대한 비율로 표시되며, 입력 전압과 출력 전압이 차이가 많이 날 경우 효율에 굉장히 안좋아집니다. 주로 Pass Tr에 의해 열로 날아가는 에너지가 많습니다. 따라서, LDO를 사용할 때는 Buck converter 같은 효율이 높은 SMPS 소자로 전압 레벨을 한 번 낮추고 그 전압을 받아서 약간 더 낮은 출력 전압을 만들어내야 합니다.

 

만약 12V의 전압 레벨을 Buck converter를 사용하여 낮추지 않고 바로 LDO를 연결하여 3.3V로 출력한다면 효율은 그림 9와 같이 약 27.5% 수준으로 굉장히 좋지 않습니다.  

 

[그림 9. Buck Converter 미사용 시 효율]

 

하지만, 그림 10과 같이 약 90%의 효율을 가지는 Buck converter를 사용하여 12V 전압을 3.6V로 낮춘 뒤 LDO를 연결하여 3.3V로 출력한다면 효율은 약 82.5%가 됩니다. Buck converter를 사용하지 않는 경우에 비해 굉장히 높은 것을 알 수 있습니다.

 

[그림 9. Buck Converter 사용 시 효율]

 

자, 여기까지 LDO의 주요 스펙에 대해 알아보았습니다. 이 6 가지 스펙만 잘 확인한다면 LDO를 선택하는데 있어서 아무런 문제가 없을 거라고 생각합니다. 그럼 여기까지 포스팅을 마치겠습니다.