잡음에 민감한 애플리케이션, 잡음 극히 낮은 LDO 레귤레이터 필요

  • 2016-12-05
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr
  • 글| 아미트 P. 파텔, 시니어 디자인 엔지니어, 파워 제품 스티브 노스, 시니어 제품 마케팅 엔지니어, 파워 제품 리니어 테크놀로지


선형 레귤레이터(linear regulator)는 인덕터를 사용하지 않고서 높은 전압에서 낮은 전압으로 전압을 스텝다운(강압)할 수 있는 IC다. 낮은 드롭아웃 선형 레귤레이터는 특수한 형태의 선형 레귤레이터로써, 드롭아웃 전압이 통상적으로 400 mV 미만이다(드롭아웃 전압은 레귤레이션을 유지하기 위해서 필요로 하는 입력-대-출력 전압 차이를 말한다).


초기의 선형 레귤레이터는 드롭아웃이 약 1.3V 대에 달함으로써, 5V 입력일 경우에 디바이스가 레귤레이션을 유지하기 위해서는 최대로 달성할 수 있는 출력이 ~3.7V에 불과했다. 근래에는 ‘낮은’ 드롭아웃이라고 하면 500 mV 미만을 말하게 됐다. 그러다 좀 더 최근에는 더욱 정교한 설계 기법과 진보된 웨이퍼 제조 프로세스를 사용함에 따라 ‘낮은’ 드롭아웃이라고 하면 통상적으로 100~300 mV를 의미하게 됐다.

또한 LDO는 특정 시스템에서 가장 비싼 부품인 경우는 거의 드물지만, 가격에 비해서 효용성이 매우 뛰어난 부품중의 하나라고 할 수 있다. LDO가 하는 일 중의 하나는 전압 트랜션트, 전원 잡음, 역 전압, 전류 서지 같은 혹독한 환경 조건으로부터 값비싼 후위 부하들을 보호하는 것이다.

그러므로 LDO는 디자인이 견고해야 할 뿐만 아니라 환경으로부터의 충격을 흡수하고 부하를 보호하기 위해서 필요한 모든 보호 기능들을 포함해야 한다. 많은 저가형 LDO선형 레귤레이터는 필요한 보호 기능들을 포함하지 않음으로써 결함이 발생되면 레귤레이터 자신뿐만 아니라 후위부하까지도 손상시킬 수 있다.

LDO 대 다른 레귤레이터 

저전압 스텝다운 변환 및 레귤레이션을 위해서는 다양한 방법을 사용할 수 있다. 

스위칭 레귤레이터(switching regulator)는 넓은 전압 범위로 높은 효율로 동작한다. 하지만 동작하기 위해서 인덕터와 커패시터 같은 외부 부품을 필요로 하므로 비교적 넓은 보드 공간을 차지한다. 인덕터를 필요로 하지 않는 차지 펌프(스위치드 커패시터 전압 컨버터라고도 함)는 낮은 전압으로 변환할 수 있는데, 단점은 출력 전력이 제한적이고, 트랜션트 성능이 좋지 못하고, 선형 레귤레이터에 비해서 더 많은 수의 외부 부품을 필요로 한다는 것이다.

FPGA, DSP, CPU, GPU, ASIC 같이 빠르면서 고전류이고 저전압인 오늘날 첨단 디지털 IC는 코어 및 I/O 채널들을 구동하기 위해서 전원에 대한 요구가 매우 까다롭다. 전통적으로 이들 디바이스를 구동하기 위해서는 효율이 우수한 스위칭 레귤레이터를 사용해 왔으나, 스위칭 레귤레이터는 잡음 간섭 문제를 일으키거나 트랜션트 응답이나 레이아웃에 있어서 한계점이 있을 수 있다. 그럼으로써 이들 애플리케이션과 여타의 저전압 시스템에서 대안적으로 LDO의 사용이 늘고 있다. 최근의 제품혁신과 기능 향상에 힘입어서 LDO가 좀 더 매력적인 성능 상의 이점을 제공할 수 있게 됐다.

또한 잡음에 민감한 아날로그/RF 애플리케이션을 구동할 때도 LDO가 스위칭 레귤레이터에 비해서 선호되고 있다. 대표적으로 시험 계측 시스템 같은 경우에는 이러한 장비의 측정 정확도가 측정하고자 하는 대상보다 수십 배는 더 우수해야 한다. 잡음이 낮은 LDO 레귤레이터를 사용해서 주파수 합성기(PLL/VCO), RF 믹서 및 변조기, 고속 고분해능 데이터 컨버터(ADC 및 DAC), 정밀 센서 같은 다양한 유형의 아날로그/RF 디자인을 구동할 수 있다.

그런데 또 한편으로 이들 애플리케이션이 기존 저잡음 LDO의 한계를 시험하는 수준으로까지 감도가 높아지고 있다. 예를 들어서 많은 하이엔드 VCO에서는 전원 잡음이 VCO 출력 위상 잡음(지터)에 직접적으로 영향을 미치게 됐다. 뿐만 아니라 전반적인 시스템 효율 요구를 충족하기 위해서 흔히 LDO를 사용해서 비교적 잡음이 심한 스위칭 컨버터의 출력을 포스트(사후) 레귤레이트하는데, 이러한 경우에는 LDO의 고주파 PSRR(Power Supply Ripple Rejection)성능이 무엇보다도 중요하다.

LDO를 사용할 때의 설계 과제 

다수의 산업 표준 선형 레귤레이터가 단일 전압 전원을 사용해서 LDO 동작을 하는데, 대부분은 낮은 출력 잡음으로 극히 낮은 전압 변환, 넓은 범위의 입력/출력 전압, 포괄적인 보호 기능을 모두 달성하는 것은 하지 못한다. PMOS LDO는 단일 전원으로 동작하면서 드롭아웃을 달성하나, 통과 트랜지스터의 Vgs 특성 때문에 낮은 입력 전압으로 제한적일 뿐만 아니라 고성능 레귤레이터와 같은 많은 보호 기능들을 제공하지 못한다.

NMOS 기반 디바이스는 트랜션트 응답은 빠르나, 디바이스를 바이어스하기 위해서 2개 전원을 필요로 한다. NPN 레귤레이터는 넓은 입력 및 출력 전압 범위가 가능하지만, 2개 전원전압을 필요로 하거나 드롭아웃이 높다. 이와 비교해 적정한 디자인 아키텍처를 적용함으로써 PNP 레귤레이터는 낮은 드롭아웃, 높은 입력 전압, 낮은 잡음, 높은 PSRR, 극저 전압 변환을 달성하고 완벽한 보호 기능들을 제공할 뿐만 아니라 이 모든 것을 단일 전원 레일을 사용해서 달성할 수 있다.

또한 최상의 효율을 달성하고자 많은 고성능 아날로그 및 RF 회로들이 LDO를 사용해 스위칭 컨버터의 출력을 포스트 레귤레이트 한다. 이렇게 하기 위해서는 LDO 상에서 낮은 입력-대-출력 차이로 높은 PSRR(Power Supply Ripple Rejection)과 낮은 출력 전압 잡음을 요구한다.

PSRR이 우수한 LDO를 사용하면 크기가 큰 필터링 소자들을 사용하지 않고서 스위처 출력으로부터 잡음을 수월하게 필터링하고 제거할 수 있다. 또한 잡음에 대한 민감성이 중요한 고려사항인 오늘날 첨단 레일들에는 넓은 대역폭에 걸쳐서 출력 전압 잡음이 낮은 디바이스를 사용하는 것이 유리하다. 높은 전류에서도 출력 전압 잡음을 낮게 하는 것이 필수적인 요구사항이 되고 있다.

잡음이 극히 낮고 PSRR은 극히 우수한 새로운 LDO 제품군 

그렇다면 위에서 열거한 문제들을 해결하는 LDO 솔루션이 되기 위해서는 다음과 같은 특성들을 갖춰야 할 것이다.

· 극히 낮은 출력 잡음
· LDO 동작
· 넓은 주파수 범위로 높은 PSRR
· 단일 전원 동작(사용 편의성, 수월한 전원 시퀀싱)
· 빠른 트랜션트 응답
· 넓은 입력/출력 전압 범위로 동작
· 적정한 출력 전류 용량
· 뛰어난 열 성능
· 컴팩트한 풋프린트

바로 이러한 요구를 충족하도록 리니어 테크놀로지(Linear Technology)가 새롭게 출시한 제품이 LT304x 제품군이다. 이 제품군은 PSRR이 극히 높고 잡음이 극히 낮은 LDO 레귤레이터 제품들을 제공한다. 가장 먼저 출시되는 제품으로서 LT3045는 잡음이 극히 낮고 PSRR은 극히 높은 LDO 선형레귤레이터다.

앞서 출시된 200 mA LT3042 극저 잡음 LDO의 고전류 버전 제품이다. LT3045는 고유의 디자인 아키텍처를 사용해 10 kHz일 때 불과 2 nV/√Hz의 극히 낮은 스팟 잡음과 10 Hz~100 kHz의 넓은 대역폭으로 0.8 μVRMS의 적분 출력 잡음을 달성한다. 10 kHz까지 저주파 PSRR은 90 dB를 넘고, 2.5 MHz까지 고주파 PSRR은 70 dB를 넘는다. 그러므로 입력 전원의 잡음이나 높은 리플을 잘 제거할 수 있다.

LT3045는 정밀 전류 소스 레퍼런스에 뒤이어서 고성능 단위 이득 버퍼로 이루어진 리니어의 고유의 LDO 아키텍처를 활용함으로써 출력 전압에 상관없이 거의 일정한 대역폭, 잡음, PSRR, 부하 레귤레이션 성능을 달성한다. 또한 이 아키텍처를 사용함으로써 다중의 LT3045를 병렬로 연결할 수 있으므로 추가적으로 잡음을 낮추고, 출력 전류를 높이고, 회로 보드 상에서 열을 분산시킴으로써 열 성능을 향상시킬 수 있다.

LT3045는 1.8~20V의 넓은 입력 전압 범위에 걸쳐서 풀(full) 부하에서도 260 mV 드롭아웃 전압을 가지며 최대 500 mA의 출력 전류를 제공한다. 출력 전압 범위는 0~15V이고, 출력 전압 허용오차는 라인, 부하, 온도에 걸쳐서 ±2%로 극히 정확하다. 또한 넓은 입력 및 출력 전압 범위, 높은 대역폭, 높은 PSRR, 극히 낮은 잡음 성능은 PLL/VCO/믹서/LNA, 극저 잡음 계측기, 고속/고정밀 데이터 컨버터, 의료 영상 애플리케이션, 정밀 전원장치, 스위칭 전원의 포스트 레귤레이터 같은 잡음에 민감한 애플리케이션을 구동하기에 이상적으로 적합하다.

또한 LT3045는 소형의 저가격대 10 μF 세라믹 출력 커패시터를 사용해서 동작할 수 있으므로 이를 사용해서 안정성과 트랜션트 응답을 최적화할 수 있다. 또한 단일 저항을 사용해 외부에서 정밀하게 전류 한계를 프로그램 할 수 있다(온도에 대해서 ±10%). 단일 SET 핀 커패시터를 사용해서 출력 잡음을 낮추고 레퍼런스 소프트 스타트 기능을 제공함으로써 턴온 시에 출력 전압 오버슈트를 방지할 수 있다.

또한 이 디바이스는 내부 보호 회로로 역 배터리 보호, 역 전류 보호, 폴드백을 사용한 내부 전류 한계, 히스터리시스를 사용한 열 한계 같은 보호 기능을 포함한다. 그밖의 특징으로는 고속 스타트업 기능(큰 값의 SET 핀 커패시터를 사용할 때 유용)과 출력 전압 레귤레이션을 지시하기 위한 power good 플래그(임계값 프로그램 가능)를 포함한다. 〈그림 1〉은 애플리케이션 회로 예를 보여준다.

 

LT3045는 열 향상 10리드 3 mm×3 mm DFN(LT3042와 핀 호환) 및 12리드 MSOP 패키지로 제공되므로 컴팩트한 풋프린트를 달성할 수 있다. 또한 -40~125℃ 접합부 온도 범위로 E 등급 및 I 등급 제품을 제공한다. 조만간 -40~150℃로 고온 H 등급 제품을 제공할 예정이다.

 

LT3045는 안정성을 위해서 출력 커패시터를 필요로 한다. 또한 높은 대역폭 때문에 ESR과 ESL이 낮은 세라믹 커패시터를 필요로 한다. 안정성을 위해서는 ESR은 20 mΩ 미만이고 ESL은 2 nH 미만이면서 최소한 10 μF 출력 커패시턴스를 필요로 한다. 단일 10μF 세라믹 출력 커패시터만으로도 높은 PSRR과 낮은 잡음 성능을 달성하므로(그림 2 및 그림 3) 이보다 높은 값의 출력 커패시터는 성능을 근소하게만 향상시킬 수 있다. 출력 커패시턴스를 높일수록 레귤레이터 대역폭이 감소하므로 최소 10 μF 출력 커패시터보다 높은 값을 사용하더라도 성능 향상은 크지 않다.


병렬 연결의 이점

다중의 LT3045 IC를 병렬로 연결함으로써 더 높은 출력 전류를 달성할 수 있다. 이렇게 하려면 모든 SET 핀들을 함께 연결하고 모든 IN 핀들을 함께 연결하기만 하면 된다. 그리고 짧은 PCB 트레이스(밸러스트 저항으로 사용됨)를 사용해서 OUT 핀들을 연결해 LT3045들이 전류를 균일하게 출력하도록 만들 수 있다.

2개 이상의 LT3045를 병렬로 연결하면 더 높은 출력 전류를 달성하고 출력 잡음을 낮출 수 있다. 다중의 LT3045를 병렬로 연결하면 PCB 상의 열을 분산시키기에도 유용하다. 입력-대-출력 전압 차가 높은 애플리케이션 에서는 LT3045와 병렬로 입력 직렬 저항을 사용해서도 열을 분산시킬 수 있다. 〈그림 4〉는 병렬 회로 구현 예를 보여준다.
 

〈표 1〉은 PSRR이 극히 높고 잡음이 극히 낮은 리니어의 LDO 제품들을 보여준다.



맺음말

LT3042와 LT3045는 한 차원 향상된 잡음과 PSRR 성능을 달성할 뿐만 아니라 넓은 전압 범위, 낮은 드롭아웃 전압, 견고성, 편의성 같은 특성들을 결합함으로써 시험 계측 장비 같이 잡음에 민감한 애플리케이션에 사용하기에 이상적으로 적합하다. 또한 전류 레퍼런스 기반 아키텍처이므로 잡음과 PSRR 성능이 출력 전압에 상관 없이 일정하다.

또한 다중의 디바이스를 곧바로 병렬로 연결함으로써 출력 잡음을 추가적으로 더 낮추고, 출력 전류를 높이고, PCB 상의 열을 분산시킬 수 있다.

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