오래된 과제들을 해결하는 새로운 선형 레귤레이터

레귤레이터는 레귤레이션뿐만 아니라 많은 일들을 할 수 있다. 선형 레귤레이터의 아키텍처는 1976년 3단자 부동 전압 레귤레이터가 등장한 이래로 거의 변하지 않고 유지되어 왔다. 이들 레귤레이터는 부동 아키텍처(LT317)이거나 출력에서 증폭기로 피드백을 이용한 증폭기 루프인데, 이 두 아키텍처에는 범용성, 레귤레이션, 정확성 측면에서 한계점이 있다.

피드백 저항은 출력 전압을 설정함으로써 증폭기로 들어가는 피드백 신호를 감쇠시킨다. 출력에서 레귤레이션이 백분율을 이용하여 출력 전압을 제어하는 것이므로, 동일한 비율이라고 하더라도 “볼트” 단위로 출력 전압이 높아질수록 레귤레이션이 나빠진다. 또한 전압에 따라 레귤레이터의 대역폭이 변화한다. 루프 이득이 감소하므로 출력 전압이 높아질수록 대역폭 또한 감소한다. 이와 같은 점 때문에 출력 전압이 상승할수록 트랜션트 응답이 느려지고 리플이 악화된다.
구형 레귤레이터는 전류 제한이 고정적이고 조절이 불가능하다. 이 한계를 IC 내부에 고정하여 설계해 넣음에 따라, 다른 출력 전류에 이용하려면 또 다른 제품을 사용해야 한다. 그러므로 애플리케이션에 따라 전류 제한을 매칭시키거나 정확한 전류 제한을 필요로 할 경우에는 외부에 별도의 회로를 사용해야 한다. 그림 1(a)는 구형 레귤레이터의 기본적인 아키텍처를 나타낸 것이다.

2007년에는 LT3080에 새로운 아키텍처가 도입되었다. 이 아키텍처는 레퍼런스에 전류 소스를 이용하고 출력 증폭기에 전압 팔로어를 이용한 것이었다. 이 아키텍처의 두 가지 장점은 더 높은 출력 전류를 공급하기 위해 레귤레이터를 병렬화할 수 있으며, 레귤레이터가 최저 제로 출력 전압으로 동작할 수 있다는 것이다.
출력 증폭기는 항상 단일 이득으로 동작하므로 대역폭이 일정하고 레귤레이션 또한 일정하다. 트랜션트 응답은 출력 전압에 대해 독립적이며 레귤레이션을 퍼센트 수준이 아닌 밀리볼트 수준으로 지정할 수 있다. 그림 1(b)는 이 새로운 레귤레이터 아키텍처를 나타낸 것이다.
표 1은 새로운 레귤레이터이다. 이 레귤레이터들은 다른 출력 전류를 이용할 수 있을 뿐만 아니라 기존 레귤레이터에서 이용할 수 없었던 기능들이 추가됐다. 또한 이 레귤레이터들은 온도, 전류에 대한 모니터링 출력과 전류 제한을 외부적으로 제어할 수 있는 기능을 포함하고 있다. 그 중에서도 LT3086은 열 셧다운을 외부적으로 제어할 수 있는 기능을 갖고 있다. 새로운 음전원용 레귤레이터는 모니터링 기능을 제공하며 부동 레귤레이터나 LDO로 동작할 수 있다. 이 새로운 레귤레이터들은 모두 더 높은 전류를 공급하거나 전류 공유, 열 확산을 위해 병렬화할 수 있다.



‌새로운 산업용 레귤레이터

LT3081은 SOA(Safe Operating Area)가 넓은 산업용 레귤레이터이다. 이 디바이스는 1.5A의 출력 전류를 공급하고 제로 출력 전압으로까지 조절이 가능하며, 역전압 입력 보호를 제공하고 온도 및 출력 전류에 대한 모니터링 출력을 제공한다. 또한 이 디바이스로 외부 저항을 연결함으로써 전류 제한을 설정할 수 있다. 그림 2는 LT3081의 기본적인 회로이다.

온도 및 전류 모니터링 출력은 V_OUT보다 0.4V 높은 수준에서 V_OUT보다 40V 낮은 수준까지 동작하도록 구성된 전류 소스이다. 온도 출력은 1㎂/℃이고 전류 모니터링은 I_OUT/5,000이다. 이 전류 소스는 전류 소스와 직렬 접지로 저항을 연결하고 저항 상단의 전압을 측정함으로써 측정할 수 있다. 또한 출력을 －40V∼0.4V 범위에서 참조하며 출력이 단락되더라도 계속해서 작동한다. 이 모니터링 출력의 동적 범위는 출력보다 400mV 높으므로, 출력이 단락되거나 제로로 설정되더라도 온도와 전류를 계속 측정할 수 있다. 1k의 저항을 이용하면 충분한 마진을 확보할 수 있으며 출력이 단락되더라도 동작 가능하다.
출력은 SET 핀에 접지로 저항을 연결하고 출력으로 50㎂ 정밀 전류 소스를 연결함으로써 설정할 수 있다. 내부 폴로워 증폭기는 출력 전압이 SET 핀에서 설정한 전압으로 되도록 한다.
LT3081의 고유 기능으로, 출력 커패시터를 선택적으로 이용할 수 있다. 이 레귤레이터는 입력 및 출력 커패시터를 이용하거나 이용하지 않아도 안정적으로 동작할 수 있다. 모든 내부적인 동작 전류가 출력 핀을 통해 흐르며, 레귤레이션을 유지하기 위해 최소한의 로드를 필요로 한다. 여기서는 이 디바이스로 완벽한 레귤레이션을 유지하기 위해서 모든 출력 전압에 5mA 로드를 필요로 한다.
설정 저항은 시스템의 온도 편차를 증가시킬 수 있다. 시중에 출시된 표면실장 저항은 넓은 범위의 온도 계수를 제공한다. 제조업체에 따라서는 온도 계수가 100ppm에서부터 높게는 500ppm 이상에 이를 수도 있다. 저항은 레귤레이터의 전력 소산으로 인해 온도가 상승하지는 않지만, 넓은 주변 온도 범위에 걸쳐 온도 계수로 인해 출력을 1∼4%까지 변화시킬 수 있다. 정밀 애플리케이션에는 온도 계수가 낮은 박막 저항을 이용할 수 있다.
이전 레귤레이터와 같이, 부트스트랩 레퍼런스가 아닌 내부적인 트루 전류 소스를 레퍼런스로 이용할 때의 이점은 그렇게 명확하지 않다. 트루 레퍼런스의 전류 소스의 경우, 레귤레이터가 이득 및 주파수 응답을 플러스 입력의 임피던스에 대해 독립적이도록 할 수 있다.
LT1086을 비롯하여 이전의 모든 조절 가능한 레귤레이터는 출력 전압이 변화함에 따라 루프 이득 및 대역폭이 변화한다. 조절 핀을 접지로 바이패스하면 대역폭도 변화한다. LT3081은 출력 전압이 변화하는 데 따라서, 또는 바이패스 때문에 루프 이득이 변화하지 않는다. 출력 레귤레이션은 출력 전압을 고정적인 백분율로 제어하는 것이 아니라 고정적인 숫자의 밀리볼트로 제어한다. 트루 전류 소스를 이용하면 버퍼 증폭기의 모든 이득으로 레귤레이션을 제공할 수 있으며 어떤 이득이라고 해도 레퍼런스를 더 높은 출력 전압으로 증폭할 필요가 없다.
산업용 애플리케이션을 위해서는 넓은 SOA가 필요하다. SOA는 높은 입력-출력 전압 차이에서 높은 출력 전류를 전달할 수 있는 능력을 말한다. 그림 3은 여러 레귤레이터의 SOA를 비교한 것이다.

LT1086은 1980년대 중반에 출시된 1.5A 레귤레이터로서 20V 이상의 입력/출력 차이일 때 출력 전류가 극히 낮은 수준으로까지 떨어질 수 있다. 이 차이가 20V 이상이면 겨우 100mA의 출력 전류만 공급할 수 있다.
따라서 로드 전류가 100mA 이상이면 출력 전압이 레귤레이션을 유지하지 못하고, 입력 상의 트랜션트는 전류 한계를 초과한다.
또한 LT1963A는 LDO(Low-Dropout Regulator)이며 이 디바이스 역시 SOA가 제한적이다. LT3081은 SOA를 확장함으로써 25V 차이일 때 거의 1A에 이르는 출력 전류를 공급할 수 있다. 25V 이상의 차이라고 해도 여전히 500mA의 출력 전류를 이용할 수 있다. 따라서 이 레귤레이터는 작동 시 넓은 범위로 변동적인 입력 전압을 이용하는 애플리케이션에 이용하는 데 적합하다. 넓은 SOA는 크기가 큰 내부 PNP를 이용함으로써 달성된다. 또한 LT3081은 (로드와 함께) 역 전압 입력 전압에서 보호된다.
그림 4는 LT3081의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 이 디바이스는 3개의 전류 소스를 포함하며, 이중 2개는 출력 전류 및 온도를 보고하는 것이다. 세 번째 것은 50㎂ 레퍼런스 전류를 제공한다. 

LT3081은 낮은 드롭아웃 특성을 갖고 있지 않지만 최저 1.2V 드롭아웃까지 동작할 수 있으므로 이보다 앞선 LT1086보다 개선되었다. 내부 증폭기 구성은 잘 레귤레이트 되는 내부 바이어스 전원과 결합함에 따라, 이 디바이스가 외부 커패시터를 이용하지 않고서도 안정적으로 동작할 수 있도록 한다. 한 가지 한계점이라면, 이 디바이스는 입력 및 로드로 가능한 임피던스를 모두 허용하도록 설계할 수 없다는 것이다. 그러므로 실제 시스템으로 안정성을 테스트해야 한다. 테스트해서 안정적이 않은 것으로 나타나면, 외부에 커패시터를 추가하여 이 디바이스를 모든 출력 전류 조건에서 안정적으로 동작하도록 할 수 있다. 외부 커패시터를 이용하면 또한 더 이상 내부 증폭기 대역폭으로 인해 제한되지 않으므로 트랜션트 응답을 향상시킬 수 있다.
이전의 레귤레이터들은 전류를 공유할 수 없으므로 디바이스를 병렬화하는 것이 불가능했으나, 이 새로운 전류 소스 레퍼런스 레귤레이터들은 편리하게 병렬화할 수 있다. 병렬화는 출력 전류를 높이거나 열을 확산시키고자 할 때 유용하다. 전압 폴로워로 설계되었으므로 모든 설정 핀을 같이 연결하면 출력들이 동일한 전압으로 되도록 할 수 있다. 출력들이 동일한 전압이면 이들 디바이스간 전류 공유를 위해 수 밀리옴의 밸러스트만 필요로 하게 된다.
그림 5는 LT3081의 오프셋 전압 분포를 나타낸 것이다. 이 분포는 모두 1mV 이내이므로 10%까지 공유 가능하다. 그러므로 10mΩ의 밸러스트 저항으로도 충분하다. 밸러스트 저항은 PCB 상에서 1인치 미만의 트레이스나 소량의 와이어를 이용하여 구축할 수 있으며, 병렬 디바이스로 뛰어난 전류 평형을 이룰 수 있다. 1V 출력이라고 하더라도 레귤레이션을 겨우 1.5%까지만 저하시킨다. 표 2는 PCB 저항을 나타낸 것이다.

그림 6에 나타난 회로도에서는 2개의 병렬화 LT3081 디바이스로 3A 출력을 달성했다. 설정 저항의 경우 이를 통해 두 배의 설정 전류가 흐른다. 그러므로 출력은 100㎂에 RSET를 곱한 것이며, 10mΩ의 출력 저항은 모든 전류로 평형을 이루도록 한다. 어떠한 숫자의 디바이스이든 병렬화하여 더 높은 전류를 공급할 수 있다. I_LIM 핀을 이용할 경우에는 이를 병렬화함으로써 하나의 저항을 이용하여 전류 제한을 설정할 수 있다.

그림 7은 LT3081을 고정적인 레귤레이터와 병렬화한 것이다. 이 방법은 설계한 시스템이 충분한 출력 전류를 이용할 수 없을 때 유용하다. 이렇게 하면 더 높은 출력 전류를 빠르게 공급할 수 있다. 분할기를 이용하여 고정적 디바이스의 출력 전압을 불과 수 밀리볼트로 분할한다. 그리고 LT3081의 SET 핀을 고정적 출력보다 약 4mV 낮도록 연결한다. 이렇게 함으로써 무로드 조건일 때 LT3081로 전류가 흐르지 않도록 할 수 있다. 그런 다음 20mΩ 저항을 이용하면 이 오프셋을 극복할 수 있도록 충분한 밸러스트를 제공하고, 높은 출력 전류로 전류 매칭을 달성하도록 할 수 있다. 

50㎂ 전류 소스를 이용하여 레퍼런스를 발생시키므로, SET 핀으로의 누설 경로가 레퍼런스 및 출력 전압에 오차를 발생시킬 수 있다. 그러므로 모든 절연형 표면을 세정하여 플럭스 및 여타 잔류물을 제거해야 한다. 습도가 높은 환경에서는 표면을 코팅해서 습기를 차단하는 장막을 제공해야 할 수도 있다. 또한 SET 핀 및 회로 주위에 OUT 핀으로 연결된 가드 링을 이용하여 보드 누설을 최소화해야 한다. 그림과 같이 설정 전류를 높이면 스퓨리어스 누설 효과를 감소시킬 수 있다.
낮은 50㎂ SET 전류는 일부 애플리케이션에서 문제를 일으킬 수 있다. 높은 값의 박막 포텐셔미터는 낮은 값의 와이어운드처럼 안정적이지 못하며, 보드 누설은 또한 출력의 불안정성을 야기시킬 수 있다. 설정 전류를 공칭 50㎂보다 높게 함으로써 이와 같은 문제들을 최소화할 수 있다.
그림 8은 낮은 값의 설정 저항을 이용한 솔루션을 나타낸 것이다. 여기서는 R2를 통해 더 높은 전류가 발생되며, 설정 전류와 합해져서 훨씬 더 높은 전류를 제공한다. 설정 전류가 4k 저항을 통해 흐르고 R1 상에서 200mV를 발생시킨다. 그런 다음 R2를 통해 흐르는 전류가 설정 전류에 더해져 I_SET을 통과하여 접지로 총 1.05mA가 흐르도록 한다. 이렇게 함으로써 R_SET 부근에서는 전압이 누설 전류에 덜 민감하도록 할 수 있다. R2를 출력으로 직접 켈빈 연결하려면 주의를 기울여야 한다. 출력에서 R2에 이르는 전압 강하는 레귤레이션에 영향을 미친다. 

또 다른 구성은 LT3092를 1mA의 외부 전류 소스로 이용하는 것이다. 이 구성은 더 높은 설정 전류를 제공하며 출력을 제로 전압으로까지 조절할 수 있다.
그림 9는 LT3092를 이용해서 LT3081로 전류 레퍼런스를 제공하는 것이다. 발생되는 1mA 레퍼런스 전류는 설정 저항의 값을 훨씬 낮게 할 수 있도록 하며, 그러면서 이 디바이스를 제로 전압으로까지 조절할 수 있도록 한다.

그림 10과 같이 전류 모니터링 출력을 이용하여 라인 전압 강하를 보정할 수 있다. 설정 저항의 일부를 통해 전류 모니터링을 피드하면 설정 핀에서 전압을 발생시키고 전류의 함수로서 출력을 상승시킬 수 있다. 

보정 저항의 값은 R2＝5000·R_CABLE(TOTAL) 및 V_OUT＝50㎂(R_SET＋R_COMP)이다. 이러한 방식으로 수V에 이르는 라인 전압 강하를 보정할 수 있다.

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새로운 레귤레이터 제품은 이전의 디바이스에 비해 로드 및 라인 변동에 대해 훨씬 더 뛰어난 레귤레이션을 제공한다. 이 레귤레이터들은 레귤레이션 성능이나 트랜션트 응답이 출력에 따라 변화하지 않는다. 또한 온도 및 전류 모니터링, 조절 가능 전류 한계 등과 같은 새로운 기능을 제공한다. 그리고 병렬화 시 전류 ‘hogging’을 방지하기 위해 더 이상 외부적인 전류 평형 회로를 필요로 하지 않는다. 뿐만 아니라 이와 같이 향상된 기능과 함께 뛰어난 견고성도 제공한다.

이러한 디바이스를 이용함으로써 새로운 애플리케이션들이 가능해졌다. 간편하게 병렬화를 이룰 수 있으며 라인 전압 강하를 보정할 수 있게 되었다. 또한 전류 제한 임계값을 사용자가 지정할 수 있고 출력을 제로 전압으로까지 조절할 수 있게 되었다. 또한 SOA가 확대됨에 따라 더 넓은 입력 스윙에서도 동작할 수 있게 되었다.

Bob Dobkin Linear Technology Corporation