#20. LDO(Low Drop-Out) Regulator 동작 원리 이해하기

회로설계에 있어 전원부 회로는 가장 기본이자 필수입니다. 외부 전원을 입력받아 원하는 전압 레벨을 만들기 위해 스위칭 Regulator를 사용하거나 때에 따라 LDO를 사용하기도 합니다. 효율이 중요한 시스템이라면 스위칭 Regulator (Buck 또는 Boost converter)를 사용하고, 효율보다 저잡음이 중요한 곳에선 LDO를 사용합니다. Linear Regulator라고도 하죠. 단순히 원하는 입력 전압 대비 출력 전압에 맞는 LDO를 찾아서 사용해도 크게 문제가 되는 경우는 잘 없습니다만 LDO의 동작 원리를 정확하게 알고 사용해야 추후 잡음이나 효율 등에 대한 이해가 쉬워지기 때문에 깊이 있게 아는 것 또한 중요합니다. 따라서, 이번 포스팅에서는 LDO의 성능 지표에 대한 부분은 제쳐두고 동작원리에 대해서 상세하게 다뤄보도록 하겠습니다. 

 

[그림 1. LDO 회로 (부하가 없는 경우)]

 

LDO를 가장 심플하게 구성하면 그림 1과 같이 OPAMP와 MOSFET, Reference Voltage 그리고 2개의 저항으로 구성할 수 있습니다. 그림 1의 OPAMP의 '-' 입력 Vn 노드에 Vref 전압을 인가하면 OPAMP의 가장 중요한 특성 Vn=Vp에 의해 Vp=V2=Vref가 됩니다. 따라서, R2에 고정적인 전류 I2(V2/R2)가 흐르게 됩니다. OPAMP의 또 다른 중요한 특성인 입력 노드로 전류가 흐르지 않기 때문에 R2, R1에 흐르는 전류는 동일하고 따라서, Vout은 아래 수식 1)에 의해 일정한 값을 나타냅니다.

 

수식 1)

 

I2, R1, R2는 사용자가 조절할 수 있는 파라메터이기 때문에 세 개의 파라메터를 조절하여 원하는 출력 전압 Vout을 구할 수 있습니다. 보통 Vref는 IC 내부에 구현되어 있고, 사용하는 IC마다 값이 다르기 때문에 여기서는 대략 1V라고 가정하겠습니다. 출력 전압 Vout을 3V로 구현하고 싶을 때, 위 세 파라메터 값을 어떻게 정할 수 있을까요? 우선 R2를 10kohm으로 정하면 I2는 100uA가 됩니다. 따라서, R1 값은 20kohm으로 결정되죠. 따라서, Vout=100uA x (10kohm + 20kohm) = 3V가 됩니다. 물론 위 수식 1)은 Non-Inverting OPAMP의 전압 공식 Vout=V2x(1+R1/R2)로 구할 수도 있습니다. 어찌됐든 결과는 동일 합니다. 

 

위 내용을 숙지하고 아래 그림 2의 ADP7118 IC와 외부 인터페이스 회로를 봅시다. 그림 2는 ADI에서 제공하는 ADP7118 IC의 데이터시트에서 발췌한 그림 입니다.

 

[그림 2. ADP7118 IC 외부 인터페이스 회로]

   

그림2를 보면 그림 1의 OPAMP와 PMOS, Reference Voltage가 IC 내부에 있고, R1과 R2만 외부 컴포넌트로 빠져있는 것을 유추할 수 있습니다. 그림 3과 같이 실제 데이터시트에서 제공하는 IC 내부 블록도를 보면 유추한 바와 같이 OPAMP와 PMOS, Reference Voltage가 내장되어 있음을 확인할 수 있습니다.

 

[그림3. ADP7118 IC 내부 블록도]

 

수식 1)에 의해 R2에 흐르는 전류 I2는 500uA임을 추측할 수 있습니다. I2 = 500uA를 넣고, Vout을 다시 계산해보면 Vout=500uA x (10kohm+2kohm) = 6V가 됩니다. 이렇게 저항 R1, R2를 외부 컴포넌트로 설계함으로써 사용자의 편의에 따라 R1, R2 값을 조절하여 원하는 출력 전압 Vout을 설정할 수 있습니다. 위 ADP7118 IC의 경우 내부 Vref가 5V로 설계되어 있음을 유추할 수 있고, 그림 2와 같이 VIN을 7V로 할 경우 출력 전압 Vout은 5V와 7V 사이에서 결정 할 수 있습니다. 물론, PMOS가 정상 동작할 수 있는 최소 Dropout Voltage가 200mV로 데이터시트에 기재되어 있기 때문에 정확히는 5V ~ 6.8V 사이에서 결정되겠죠.   

 

지금까지 설명한 내용은 그림 1과 같이 Vout에 아무런 부하가 연결되지 않는 무부하 저항의 경우였습니다. 만약 부하가 연결되면 어떻게 될까요? 연결된 부하에 의해 전류가 흐를거고, 때에 따라 전류의 변동이 있을 수도 있습니다. 그러면 Vout 또한 일정하지 않고 흔들리지 않을까라고 생각할 수 있지만 피드백 제어로 인해 전압 레벨을 유지할 수 있습니다. 아래 그림 4를 한 번 봅시다.

 

[그림 4. LDO 회로 (부하가 있는 경우)]

 

부하 저항 RLoad가 연결되더라도 전류 I2(V2/R2)는 여전히 유지된 채, 부하 저항이 사용하는 전류만큼을 PMOS에서 추가로 공급합니다. 그림 4와 같이 Vref에 의해 I2는 V2/R2로 유지되기 때문에 V1(=Vout) 역시 일정한 전압을 출력하고, RLoad에 의한 전류는 PMOS에서 추가로 공급하기 때문에 Vout은 V1과 같고, 안정적으로 유지 됩니다. MOSFET은 부하 저항에서 사용하는 만큼의 전류를 추가 공급하기 위해 Gate 노드의 전압 값을 하강 시킵니다. P-channel MOSFET의 전류 공식에 의해 VSG가 커지면 전류가 상승하게 되는거죠..

 

여기까지 LDO가 동작하는 원리에 대해서 설명을 하였습니다. 수식을 최소화하고 직관적인 이해가 가능하도록 글로 설명을 했기 때문에 충분히 이해가 됐으리라 생각합니다. LDO는 굉장히 다양한 방식으로 회로를 구성할 수 있지만 원리는 거의 동일하기 때문에 위 내용만 잘 숙지해도 실무에서 많은 도움이 되리라 생각합니다. 다음 포스팅에서는 LDO의 잡음과 효율, 그리고 주요 파라메터들(PSRR, Dropout Voltage, Quiesent Current 등)에 대해 다뤄보도록 하겠습니다~!