새로운 제어 루프 아키텍처는 매우 낮은 노이즈 전압들을 생성하도록 설계되었다. 이는 선형 및 스위칭 레귤레이터들에서 활용할 수 있다. 노이즈가 낮게 생성될 뿐만 아니라, 노이즈 레벨도 설정된 출력 전압과 무관해 0V까지 매우 낮은 출력 전압 생성이 가능하다.

통상적으로 전력 변환기는 입력 전압이나 부하 전류의 변화에 관계없이 설정된 출력 전압을 유지하기 위해 제어 루프를 통합하고 있다.



저항 분배기는 종종 출력 전압을 감지하는 데 사용된다. 그림 1은 그러한 사례 중 하나로, 스텝다운 벅 레귤레이터 회로를 나타낸다. 이 제어 루프에서 저항 분배기(RFB1 및 RFB2)는 생성된 출력 전압을 내부 기준 전압(V_REF)에 의해 지정된 수준으로 조정한다.

이 기준 전압은 일반적으로 1.2V, 0.8V 또는 0.6V로 설정된다. 그런 다음, 오차 증폭기의 출력(그림 1의 연산 증폭기)은 전원 스위치(MOSFET)의 전환 시간을 관리하는 제어 블록에 공급된다.
 

오랫동안 이러한 유형의 전통적인 레귤레이션이 표준 방식으로 사용돼 왔다. 그러나 이제는 스위칭 레귤레이터와 LDO(low dropout) 레귤레이터를 포함하여, 전력 변환에 많은 이점들을 제공하는 우수한 대안 방식들이 존재한다. 그림 2는 출력 전압이 오차 증폭기에 직접 공급되는 단일 이득 아키텍처를 사용하는 새로운 방식을 보여준다.

출력 전압은 내부 전원에 연결된 저항(R_SET)으로 조정된다. 이러한 구성을 통해, 그림 1에 표시된 것과 같이 최소 가변 출력 전압이 내부에 설치된 기준 전압의 전위와 동일한 저항 분배기를 사용하는 이전 방법과 달리, 출력 전압을 0V로 낮출 수 있다.

또 다른 장점은 100kHz 미만의 저주파에서 더 적은 노이즈를 생성할 수 있다는 것이다. C_SET 커패시턴스를 통합함으로써, 내부 전류원으로부터의 저주파 교란을 평균화하여 이러한 간섭들을 크게 줄인다.

이 새로운 아키텍처에서는 저항 분배기의 저항들이 추가적인 노이즈를 발생하지 않기 때문에 노이즈 발생 원인이 출력 전압과 크게 상관없다. 그 결과, 저주파 노이즈는 더 높은 출력 전압에 따라 증가하지 않는다.

LT3045 20V, 500mA 초저 노이즈 LDO 레귤레이터와 같은 ADI의 많은 초저 노이즈 선형 레귤레이터 제품들이 이 루프 레귤레이션 기술을 사용한다. LTC8625S와 같은 3세대 사일런트 스위처(Silent Switcher) 제품군의 새로운 스텝다운 스위칭 레귤레이터들은 이 혁신적인 접근 방식을 사용하여 설계되었다.

 

그림 3은 ADI 웹사이트 상에서 무상으로 다운로드 받아 사용할 수 있는 시뮬레이션 도구인 LTspice를 사용하여 모델링한 3세대 사일런트 스위처 스위칭 레귤레이터인 LT8625S를 보여준다.

이 스위치 모드 전력 변환기(SMPS)는 최대 18V의 입력 전압을 지원하며, 최대 8A의 부하 전류로 작동될 수 있다. LT8625S는 출력 전압에서 10Hz ~ 100kHz 사이인 저주파 노이즈 성능이 4μV rms로 매우 낮다. 또한 -40°C ~ +125°C의 전체 작동 온도 범위에서 ±0.8%의 정확도를 가진 정밀 전류 소스를 내장하고 있다.

 

그림 3의 회로에서, 출력 전압은 SET 핀의 저항 R5를 사용하여 설정된다. 출력 전압과 PGFB 핀 사이에는 R3과 R2로 구성되는 저항 분배기가 있다는 점을 유의할 필요가 있다. 이 저항 분배기는 제어 루프에 영향을 미치지 않으며, PG 핀을 작동하는 데만 사용된다. 

이 설계는 제어 루프에서 저항 분배기를 사용하는 것과 같은 기존에 널리 활용해 오던 방식에서 단일 이득 아키텍처와 같은 최신 기술로 전환된다. 이러한 발전으로 인해 저주파 범위에서 훨씬 낮은 노이즈 레벨을 생성할 수 있다. 뿐만 아니라, 남아 있는 최소한의 노이즈는 설정된 출력 전압과 무관하므로 0V까지 매우 낮은 전압을 생성할 수 있다. 많은 새로운 선형 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터가 이 혁신적인 기술을 사용한다.



저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전원 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor, NS)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전원 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다.

NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원장치(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전원 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.