LDO: 낮은 전압 차이에서 안정된 전원을 만드는 피드백 회로
배터리 전압이 달라지거나 회로가 소비하는 전류가 변해도 센서와 증폭기에는 일정한 전압이 필요하다. 저강하 선형 레귤레이터 LDO는 입력보다 낮은 출력 전압을 만들면서, 입출력 전압 차이가 비교적 작아도 정상 조절을 유지하도록 설계한 선형 전원 회로다. ‘저강하’는 손실이 언제나 작다는 뜻이 아니라, 조절을 유지하기 위해 필요한 최소 전압 여유가 작다는 뜻이다. 전력 효율과 잡음, 열 문제는 별도로 계산해야 한다.
출력 전압을 보고 통과 소자를 조절한다
LDO는 기준 전압, 오차 증폭기, 전류를 통과시키는 트랜지스터, 출력 감지 회로로 구성된다. 출력이 목표보다 낮아지면 피드백 회로가 통과 소자의 구동을 바꾸어 더 많은 전류가 흐르게 한다. 출력이 높아지면 반대로 조절한다. 저항 분압으로 설정하는 일반적인 가변형 회로에서는 Vout≈Vref·(1+Rtop/Rbottom)이며, 감지 핀 전류가 충분히 작다는 가정이 포함된다. 입력과 부하가 달라져도 출력에서 얻은 정보로 조절한다는 점이 단순한 직렬 저항과 다르다.
드롭아웃 전압 Vdo는 지정된 조건에서 출력을 조절하기 위해 필요한 최소 입출력 차이다. 부하 전류, 온도, 입력 전압과 통과 소자의 구동에 따라 값이 변한다. MOSFET형 소자가 충분히 켜진 상태에서는 Vdo≈Iout·Ron으로 이해할 수 있지만, 모든 LDO에 적용되는 정확한 전달식은 아니다. 드롭아웃 진입 판정에도 제조사가 정한 출력 저하 기준이 있어 데이터시트의 시험 조건을 함께 읽어야 한다.
같은 전압 강하도 전류에 따라 열이 달라진다
3.3V 출력, 300mA 부하에 드롭아웃 최대값 200mV가 보장된다고 가정하자. 입력이 3.5V 이상이면 전압 차이 조건은 만족할 수 있지만 배선 손실과 입력 리플, 출력 설정 오차까지 고려하면 여유가 더 필요하다. 입력이 3.4V로 내려가면 목표 출력과의 차이는 100mV뿐이어서 3.3V 조절을 보장할 수 없다. 이때 출력은 입력 변동의 영향을 크게 받으며, 일정하게 3.3V를 유지하는 레귤레이터 모델이 더는 맞지 않는다.
입력이 5V라면 통과 소자에서 생기는 손실은 대략 (5−3.3)·0.3=0.51W다. 여기서 전압 단위는 V, 전류는 A, 전력은 W다. 정지 전류를 무시하면 효율은 Vout/Vin≈66%에 불과하다. 입출력 차이가 작은 경우에 LDO 효율이 높아지는 이유도 이 관계에 있다. 접합부와 주변 사이의 유효 열저항을 100°C/W로 가정하면 0.51W에서 온도 상승은 약 51°C다. 실제 열저항은 패키지와 PCB 구리 면적, 기류에 따라 달라지므로 이 수치는 특정 가정 아래의 예다.
저잡음과 입력 잡음 제거는 같은 성능이 아니다
LDO가 스스로 만드는 출력 잡음과 입력 리플을 억제하는 능력 PSRR은 구별해야 한다. PSRR=20log10(Vripple,in/Vripple,out)[dB]로 정의하면 60dB는 해당 시험 주파수에서 진폭을 1/1000로 줄이는 비다. 100mV 입력 리플은 이상적으로 0.1mV가 된다. 하지만 PSRR은 주파수, 부하, 출력 커패시터와 전압 여유에 의존한다. 저주파에서 좋은 수치가 스위칭 전원의 모든 고주파 성분에도 그대로 적용되지는 않고, 드롭아웃 근처에서는 조절 여유가 부족해 억제 성능이 나빠질 수 있다.
출력 커패시터는 과도 부하의 전하를 공급하며 피드백 안정성에도 관여한다. 일부 LDO는 커패시터의 등가 직렬 저항 ESR이 특정 범위에 있어야 안정적이고, 다른 제품은 낮은 ESR의 세라믹 커패시터에 맞춰 설계된다. 따라서 더 크고 ESR이 낮은 부품이면 무조건 개선된다고 단정할 수 없다. 세라믹 부품의 실제 용량이 직류 바이어스로 줄어드는 영향도 포함해야 한다. 부하를 빠르게 바꾸어 출력의 낙폭과 링잉, 회복 시간을 살펴보면 전하 공급과 제어 응답을 함께 확인할 수 있다.
LDO는 작은 부품 수와 비교적 조용한 전원 경로가 필요한 곳에 유용하다. 큰 입출력 차이와 높은 전류에서는 열이 설계를 제한하며, 순간 부하 변화와 켜지는 순서도 검토해야 한다. 선택 과정은 목표 전압 하나를 맞추는 작업을 넘어, 가장 낮은 입력에서의 조절 여유와 가장 높은 입력에서의 손실을 동시에 만족시키는 일이다.