션트 레귤레이터란?
션트 레귤레이터(Shunt regulator)는 회로의 입력 전압을 모니터링하여 출력 전압을 일정하게 유지하도록 피드백을 주는 집적회로(IC)입니다.
일반적으로 집적회로 내 전압은 온도 변화, 부품의 개체 차이 등 다양한 요인에 의해 편차나 변동이 발생합니다. 반면 션트 레귤레이터는 높은 정밀도로 전압을 제어할 수 있어 기준 전압원으로 많이 사용되기 때문에 기준 전압 집적회로라고도 합니다.
선형 레귤레이터나 스위칭 레귤레이터와 같은 전압을 안정화시키는 회로에 비해 높은 정밀도로 전압을 제어할 수 있는 것이 특징입니다.
션트 레귤레이터의 사용 용도
션트 레귤레이터는 전자기기의 고정밀 제어에 따라 AD/DA 컨버터, DSP의 Ref용 기준 전압원 등 고정밀 기준전원이 필요한 용도에 널리 사용되고 있습니다.
션트 레귤레이터는 고정밀 전압 제어가 가능하지만, 부하와 병렬로 정전압화 기능을 수행하기 때문에 효율이 매우 낮으며, 특히 고전류 하에서 동작할 때 효율이 매우 낮습니다. 따라서 그 낮은 효율을 무시할 수 있는 저전류 부하 조건에서 기준 전압원으로 사용되며, 그 후단에 고전류의 다른 레귤레이터를 직렬로 연결하여 구동할 목적으로도 사용됩니다.
예를 들어, 비교기와 같이 두 개의 전압을 비교하는 논리 회로의 경우, 비교 대상으로 기준 전압을 사용합니다. 만약 기준 전압의 드리프트가 발생하면 의도한 회로 동작 자체가 붕괴될 수 있기 때문에 기준 전압 값은 최대한의 안정성을 가져야 합니다.
션트 레귤레이터의 원리
그림 1. 션트 레귤레이터의 원리
션트 레귤레이터의 동작 원리는 그 구성요소인 부하와 병렬로 연결된 오차 증폭기(오류 증폭기)와 트랜지스터를 통해 입력 전압의 변동을 보정하고 부하 전류를 일정하게 유지하는 역할을 함으로써 고정밀도의 전압값을 얻을 수 있다는 점에 있습니다.
일반적인 션트 레귤레이터는 내부 기준 전압 단자, 오차 증폭기, 트랜지스터로 구성되어 있으며, 회로 내 부하에 대해 병렬로 연결됩니다. 입력 전압이 상승하면 이에 따라 출력 전압도 함께 상승하려고 합니다. 하지만 오차 증폭기가 이를 감지하여 트랜지스터에 흐르는 전류를 증가시킴으로써 부하에 흐르는 전류가 감소하여 출력 전압의 상승을 억제하는 구조입니다.
가장 간단한 션트 레귤레이터의 예는 제너 다이오드 레귤레이터입니다. 제너 다이오드는 일반 다이오드와 달리 역방향으로 전압을 가하면 일정한 임계치를 넘어서면 큰 전류가 흐르기 시작하는 특성을 가지고 있다. 이때의 전압 임계값을 제너 전압이라고 합니다. 흐르는 전류의 크고 작음에 상관없이 일정한 값이 되며, 제너 전압은 PN 접합부에 불순물을 첨가하여 정확하게 설계할 수 있습니다.
이 다이오드의 특성을 잘 활용한 션트 레귤레이터는 다이오드만으로 정전압을 얻을 수 있기 때문에 회로의 단순화 및 비용 절감으로 이어집니다. 그러나 온도 변동이 크기 때문에 온도 특성을 중시하는 경우에는 오차 증폭기나 트랜지스터로 구성된 션트 레귤레이터를 이용해야 합니다.
션트 레귤레이터의 기타 정보
1. 시리즈 레귤레이터와 션트 레귤레이터의 차이점
리니어 레귤레이터는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 만드는 DCDC 컨버터인데, 그 종류는 시리즈 레귤레이터와 션트 레귤레이터의 두 가지 방식으로 분류할 수 있습니다.
션트 레귤레이터는 전압 강하 발생용 저항을 이용한 DCDC 컨버터로 부하에 대한 제어를 하는 제어소자가 병렬로 들어가는 방식이며, 병렬 제어형이라고도 합니다. 이에 반해 직렬 레귤레이터는 부하에 대해 제어 소자가 직렬로 들어가는 방식이며 직렬 제어형이라고도 합니다.
션트 레귤레이터는 직렬 레귤레이터와 달리 설정된 전류를 계속 흐르게 하는 것이 특징이다. 무효전력이 커지기 쉬우므로 큰 전류의 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.
2. 3단자 레귤레이터와 LDO
션트 레귤레이터와 달리 대전류용으로도 사용되는 직렬 레귤레이터는 삼단자 레귤레이터와 LDO(Low Dropout Regulator)로 구분할 수 있습니다. 3단자 레귤레이터는 입력, 출력, GND의 세 단자로 디바이스가 구성되어 있습니다. 일반적으로 직류 전원 회로에는 효율이 좋아 스위칭 레귤레이터가 사용되지만, 3단자 레귤레이터는 노이즈가 적고 외부 부품이 적으며 가격이 저렴하기 때문에 애플리케이션 용도에 따라 사용되는 경우도 있습니다.
LDO는 입출력의 전위차가 작아도 동작이 가능한 직렬 레귤레이터로, 범용 직렬 레귤레이터에 비해 전력 손실이 적다는 장점이 있습니다. 그러나 동작상 입력 전압값의 제한이나 부하 조건 등 사용상의 주의 사항도 있으므로 사양 확인이 중요합니다.