리니어 레귤레이터 IC란?
그림 1. 리니어 레귤레이터의 종류
리니어 레귤레이터 IC는 안정적인 전압을 출력하는 전자부품입니다.
입력된 전압에 대해 저항이나 반도체 소자의 전압 강하를 이용하여 일정한 전압을 출력 단자에서 출력합니다. 입력 전압에 비해 출력 전압이 작으면 그 전압차 손실이 커지기 때문에 소전력으로 동작하는 회로나 센서 등의 전원으로 활용되고 있습니다.
리니어 레귤레이터 IC 중에서도 반도체 소자를 이용한 능동 가변 저항 소자를 직렬로 연결한 것이 직렬 레귤레이터, 병렬로 연결한 것이 션트 레귤레이터입니다.
리니어 레귤레이터 IC의 사용 용도
리니어 레귤레이터 IC는 소전력으로 동작하는 전자기기나 정밀기기 등의 전원부로 사용되고 있습니다. 회로가 단순하기 때문에 저가형 제품이 많고, 공급하는 전원 전압의 안정성이 뛰어나며, 노이즈가 적은 것이 특징입니다.
리니어 레귤레이터 IC 중에서도 직렬 레귤레이터는 능동 가변 저항 소자로 전압 강하를 할 때 발열이 발생하기 때문에 IC의 절대 최대 사용 온도를 넘지 않도록 해야 합니다. 레귤레이터 IC의 발열이 큰 경우에는 필요에 따라 외부 방열판을 부착하는 등의 조치를 취해야 합니다.
선형 레귤레이터 IC의 원리
일반적인 3단자 레귤레이터 중 하나는 선형 레귤레이터 IC로, 3단자 레귤레이터는 입력 단자, 출력 단자, 접지 단자의 세 가지 단자를 가지고 있으며, 3단자 레귤레이터의 구조는 기본적으로 동일합니다.
입력 단자에 전원을 연결하고, 입력 단자와 접지 사이에 입력 커패시터를 연결하고, 출력 단자와 그랜트 사이에도 출력 커패시터를 연결하면 출력 단자에서 일정한 전압이 출력됩니다.
그림 2. 3단자 레귤레이터의 원리
리니어 레귤레이터 IC의 내부는 트랜지스터와 FET를 이용한 능동 가변 저항 소자와 기준 전압원 등으로 구성된 제어회로로 구성되어 있습니다. 제어회로에서는 능동가변저항 소자를 통과한 전압을 측정하여 피드백 제어를 하고, 능동가변저항 소자의 저항값을 제어함으로써 출력단자에서 출력되는 전압의 크기를 일정하게 제어합니다.
능동가변저항소자에서는 일정 전압 이상의 전압 강하가 발생하기 때문에 안정적으로 전원을 출력하기 위해서는 드롭아웃 전압이라고 하는 입력 전압과 출력 전압의 차이의 최소값보다 큰 입력 전압이 필요합니다. 보통은 1.5V 정도이지만, 최소 입력 전압에 주의하여 IC를 선정할 필요가 있습니다.
리니어 레귤레이터 IC의 기타 정보
1. 3단자 레귤레이터 사용 시 주의사항
3단자 레귤레이터의 방열
3단자 레귤레이터는 불안정한 입력 전압을 트랜지스터나 FET 등의 능동 가변 저항 소자를 사용하여 안정적인 출력 전압을 얻는 것이지만, 입출력 단자 간의 전압차와 출력 단자에서 흐르는 전류(출력 전류)의 곱이 레귤레이터 내부의 열이 되어 전력을 소비합니다. 따라서 입력 전압과 출력 전압의 차이가 클수록, 그리고 출력 전류가 클수록 발열량이 많아집니다.
따라서 3단자 레귤레이터를 사용할 때는 방열 설계가 중요한 요소입니다. 3단자 레귤레이터에 적절한 방열판을 설계하여 효율적으로 방열할 수 있도록 설치해야 합니다.
3단자 레귤레이터의 기판 설계
3단자 레귤레이터는 출력 전압을 피드백하여 항상 안정적인 전압을 출력하도록 동작합니다. 따라서 입력단자-GND간과 출력단자-GND간에 연결하는 커패시터는 매우 중요한데, 특히 출력단자의 커패시터가 적절하지 않으면 출력전압이 발산될 우려가 있습니다.
일반적으로 3단자 레귤레이터 제조사가 권장하는 커패시터를 선정하게 되는데, 이 경우에도 커패시터를 최대한 3단자 레귤레이터 근처에 배치하고, 3단자 레귤레이터와 커패시터 사이의 기판 패턴을 짧게 설계해야 합니다.
3단자 레귤레이터의 보호
입력이나 출력에 어떤 이상 전압이 가해질 것으로 예상되는 경우, 3단자 레귤레이터를 보호하는 회로가 필요합니다. 입력 측에 순간적인 고전압이 가해질 우려가 있는 경우, 입력에 댐핑 저항이나 제너 다이오드를 추가하여 그 고전압을 클램프하십시오.
입력 전압이 출력 전압보다 떨어질 가능성이 있는 경우에도 대책이 필요합니다. 어떤 이유로 입력 전압이 크게 떨어질 경우, 일정한 출력 전압을 유지하기 위해서는 출력 단자에 커패시턴스가 큰 커패시터를 연결해야 합니다. 그 반작용으로 전원을 끌 때 등 일시적으로 입력단자 전압보다 출력단자 전압이 더 높은 전압이 될 수 있습니다.
또한, 복수의 전원을 조합한 회로에서는 다른 전원에서 역류하여 출력 전압이 입력 전압보다 높아질 가능성도 있습니다. 이에 대한 대책으로 출력 단자에서 입력 단자 방향으로 전류가 흐르도록 보호 다이오드(입력 측을 캐소드, 출력 측을 애노드에 연결)를 부착하는 방법이 있습니다.
2. LDO형 레귤레이터의 특징
그림 3. LDO형 레귤레이터의 특징
3단자 레귤레이터는 드롭아웃 전압(입력전압 대비 출력전압의 하락폭)의 크기에 따라 ‘표준형’ 또는 ‘LDO형’으로 분류됩니다.
표준형의 드롭아웃 전압은 3.0V 정도이지만, LDO형은 드롭아웃 전압이 1.0V 이하로 표준형보다 작은 것이 특징입니다. 참고로 LDO는 Low Drop Out의 약자입니다. 입력 전압을 12V, 출력 전압을 5V로 하는 조합이 일반적이었던 시절에는 12V에서 5V로 변환하는 데 3단자 레귤레이터가 많이 사용되었습니다. 이 경우 드롭아웃 전압이 3V 정도인 표준형 레귤레이터도 문제없이 사용할 수 있었습니다.
그러나 3.3V 계열의 디지털 IC가 주류가 되어 입력 전압이 5V, 출력 전압이 3.3V의 조합이 되면서 기판 상에서 5V를 3.3V로 변환하기 위해 LDO형 레귤레이터를 채용하는 것이 필수적으로 요구되었습니다. 바이폴라 트랜지스터를 사용한 표준형 출력회로는 NPN 트랜지스터 2개를 달링턴 연결한 구성이지만, LDO형 출력회로는 PNP 트랜지스터 1개로 구성됩니다. 이로써 작은 드롭아웃 전압으로 동작할 수 있게 되었습니다.