데이터시트를 넘어서: 전압 조정기의 실제 환경 테스트

최근에 저는 다양한 전자 부품을 테스트하는 데 열심히 노력하고 있습니다. 왜 데이터시트를 읽지 않고 시간과 돈을 절약하지 않느냐고 궁금해하실 겁니다. 그 이유는 데이터시트가 종종 특정 사용 사례에 현명하게 선택하는 데 필요한 모든 세부 정보를 포함하지 않기 때문입니다. 또는 데이터시트가 실제 성능보다 부품을 더 유리하게 제시할 수도 있습니다. 저는 제가 만들고 구축하는 프로젝트에서 제 부품 선택이 실제 테스트에서 어떻게 수행되는지 알고 싶습니다.

이전 게시물에서 저는 제 테스트 과정을 통과한 상위 10개 스위칭 레귤레이터 모듈을 강조했습니다. 이번에는 제가 테스트한 선형 전압 레귤레이터의 성능에 대해 알려드리겠습니다.  

선형 레귤레이터 vs. 스위칭 레귤레이터

선형 레귤레이터의 작동 원리

선형 전압 조정기는 한 전압에서 다른 전압으로의 스텝다운 변환을 제공합니다. 그들의 에폭시 쉘 깊숙이, 특정 밴드갭 전압에 참조된 비반전 비교기 입력, 출력 전압을 모니터링하는 반전 비교기 입력, 그리고 비교기 출력에 연결된 트랜지스터를 찾을 수 있습니다. 입력 전압이 약간 변할 때, 고이득 비교기 회로는 트랜지스터 바이어스 전압을 조정하여 즉시 출력 전압과 전류에 영향을 줍니다. 간단히 말해서, 선형 전압 조정기는 입력 전압에 관계없이 일정한 출력 전압을 생산하는 데 매우 뛰어납니다. 이 빠른 반응은 그들에게 매우 높은 전원 공급 거부 비율 PSRR을 제공하여, 민감한 하류 회로(센서, ADC 등)와 함께 사용하기에 완벽하게 만듭니다.

하지만 선형 조정기는 완벽하지 않으며, 미묘한 장치가 아닙니다. 입력과 출력 전압 사이의 차이는 조정기 내부에서 열로 소산됩니다. 예를 들어, 12V 입력에서 5V @ 1A 출력은 (12V - 5V)*(1A) = 7W의 열을 발생시킵니다. 5와트의 전기 에너지에 대해 7와트의 열 에너지는 좋은 거래가 아닙니다.

스위칭 조정기가 작동하는 방식

스위칭 레귤레이터 또는 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 고주파 스위칭과 캐패시터 및 인덕터와 같은 에너지 저장 구성 요소를 결합하여 입력 전압을 줄이거나 심지어 증가시킵니다. 그들의 주요 특징은 효율성으로, 선형 레귤레이터는 입력-출력 전압 범위가 증가함에 따라 효율성이 떨어지는 반면, 스위칭 레귤레이터는 다양한 전압과 부하에 걸쳐 높은 효율성을 유지할 수 있습니다.

스위칭 레귤레이터는 입력 전압을 회로에 빠르게 켜고 끄는 방식으로 작동합니다. 켜짐과 꺼짐 시간의 비율(또는 듀티 사이클)을 제어함으로써 출력 전압을 조정할 수 있습니다. 레귤레이터 스위치가 켜져 있을 때, 에너지는 인덕터에서 자기장으로 저장되었다가 조절된 전압으로 출력으로 방출됩니다. 캐패시터는 이러한 급격히 상승하고 하락하는 전압을 평활화하여 비교적 부드러운 출력을 제공합니다. 이 과정은 선형 레귤레이터에 비해 효율성을 크게 향상시키는데, 이는 초과 에너지가 회로로 들어오지 않아 열로 변환될 필요가 없기 때문입니다.

불행히도 이 접근 방식에는 몇 가지 단점도 있습니다. 스위칭 레귤레이터는 사이클마다 작동하기 때문에 선형 레귤레이터만큼 빠르게 부하나 입력 전압의 변화에 반응할 수 없습니다. 부하가 변할 때 순간적인 전압 하락이나 스파이크를 경험할 수 있습니다. 스위치의 '켜짐' 시간 동안 입력 전압이 인덕터를 통해 출력에 연결되기 때문에, 입력 공급의 노이즈가 선형 레귤레이터보다 훨씬 쉽게 출력으로 전달될 수 있습니다. 또한, 레귤레이터의 스위칭 동작은 자체적인 노이즈를 발생시킵니다. 인덕터가 에너지를 저장하고 방출함에 따라 스위칭 주파수에서 전압 변동이 발생합니다.

참고로, 스위칭 레귤레이터에는 여러 가지 토폴로지가 있으므로, 이는 그들의 작동에 대한 매우 일반적이고 광범위한 개요입니다.

스위칭 및 선형 전압 레귤레이터 결합

입력 레일과 출력 공급 사이에 높은 전압 차이가 있고 노이즈가 없는 공급이 필요한 경우, SMPS를 선형 조정기와 함께 직렬로 사용할 수 있습니다. SMPS는 전압 공급을 선형 조정기에 더 적합한 입력 전압으로 낮추며, 이는 낮은 노이즈 공급선을 제공합니다. 예를 들어, 12V 배터리로 구동되는 3.3V 센서가 있다고 가정해 보겠습니다. 이 경우, 스위칭 조정기를 사용하여 12V에서 4.5V로 낮춘 다음 선형 조정기를 사용하여 4.5V에서 3.3V로 낮출 수 있습니다. 9V 배터리에서 이중 레일 공급을 구축한 내 기사와 비디오를 확인하면 이러한 예를 실제 회로에서 볼 수 있습니다.

저전압 드롭아웃 (LDO)

물리학은 제약을 제공합니다 - 스위처와 선형 전압 조절기가 올바르게 기능할 수 없는 지점이 있습니다. 그 지점은 보통 하류 회로의 전류 요구 사항에 어떤 식으로든 의존합니다. 예를 들어, 배터리와 같은 상류 소스에서 마이크로컨트롤러와 같은 장치에 안정적인 전압을 제공하기 위해 LDO 선형 조절기를 사용할 계획이라면, 회로가 더 이상 기능하지 않는 지점을 결정하고, 그 전압을 감지하는 방법을 찾아, 작동이 불안정해지기 전에 회로를 종료하고자 할 것입니다.

실제 성능 테스트

78L09

Onsemi, STMicroelectronics, Texas Instruments에서 제공하는 100 mA 규격의 78L09 타입 조절기 5개를 테스트했습니다. 모든 부품이 동일한 부품 번호를 가지고 있기 때문에 서로 대체 가능할 것으로 예상했습니다(결과는 여기에서 확인하세요). 그리고 정말로 그렇게 해야 했는데, 분명히 모두가 동등하게 성능을 내는 것은 아니었습니다!

드롭아웃 전압

드롭아웃 전압은 전압 조정 모듈이 지정된 대로 기능하도록 허용하는 최저 입력 전압입니다.  즉, 9V 조정 출력의 경우, 온 세미 MC78L09ABPRAG는 최소 입력 전압이 9 V + 1.63 V = 10.63 V가 필요합니다.  최고와 최악의 부품 사이의 드롭아웃 전압 차이는 170 mV로, 텍사스 인스트루먼트 UA78L09ACLPRE3는 제대로 기능하기 위해 10.8 V가 필요합니다.  즉, 나는 최악의 부품 선택을 위해 내 솔루션을 설계하거나, 최고의 부품을 위해 설계하고 대체품을 받아들이지 않아야 합니다.  하지만 어느 쪽이든 나는 무언가를 테이블 위에 남겨두고 있습니다.  만약 나가 최악의 부품을 위해 설계한다면, 추가 에너지를 열로 발산하게 되어 전력 예산을 감소시키고 배터리 수명을 불필요하게 단축시킬 것입니다.  만약 나가 최고의 부품을 위해 설계한다면, 추가 비용에 자신을 속박하거나, 더 나쁘게는 부품 부족에 직면할 수 있습니다.  

구매 담당자가 "Texas Instruments의 78L09을 OnSemi의 78L09으로 대체해도 괜찮을까요? 생산 라인에서 대략 200달러 정도 절약됩니다."라고 말했다면, 답은 간단히 "예"가 되어야 합니다. 하지만, 대체 부품을 테스트하지 않으면, 드롭아웃 전압, 열 출력, 또는 노이즈 성능을 얼마나 엄격하게 설계했는지에 따라 회로가 예상대로 작동하지 않을 수 있습니다.

효율성

여러 입력 전압 지점에서 효율성을 확인하면, 매우 가벼운 부하에서 10~15퍼센트 차이를 볼 수 있습니다. 많아 보이지 않을 수 있지만, 배터리에서 작동하거나 케이스가 환경으로 열 에너지를 쉽게 방출할 수 없는 경우, 그 작은 변화가 설계의 수명과 작동 주기에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 

다행히도, 이들 조정기의 최대 전류 등급에 도달하면, 모두 몇 퍼센트 이내로 차이가 납니다. 우리는 Texas Instruments 구성 요소를 그것의 최대 정격 전압 24V에서 잃습니다. 반면, 다른 네 개의 조정기는 최대 30볼트 입력까지 작동할 수 있습니다.

11.9V 입력 및 8밀리암프의 부하에서, 모든 구성 요소에 걸쳐 6밀리볼트에서 18밀리볼트 사이의 노이즈를 측정했습니다. 부하가 30밀리암프로 올라가면, 각 레귤레이터는 서로 1밀리볼트 RMS 노이즈 이내입니다. 만약 여러분이 이 레귤레이터들로 고이득 증폭기와 같은 저전류 및 민감한 장치를 구동한다면, 테스트 없이 대체 부품으로 전환할 경우 레귤레이터 간의 노이즈 차이가 이상적이지 않을 수 있습니다.

선형 레귤레이터를 최대 입력 전압에서 운영하는 것을 추천하지 않지만, 30볼트 입력에서의 노이즈는 제조업체에 따라 상당히 달라질 수 있습니다.

그렇다면 어떤 레귤레이터를 선택해야 할까요? 모든 테스트 데이터를 집계하고, 주목할 만한 수치를 강조하며, 제가 테스트한 레귤레이터를 순위별로 정리하기 위해 매우 긴 SQL 쿼리를 작성했습니다. 순위는 낮은 평균 드롭아웃 전압, 높은 효율, 그리고 낮은 노이즈를 선호합니다.

1번과 2번 위치에는 Microchip MCP1700과 MCP1702가 있습니다. 저는 이들을 각각 3.3볼트와 5볼트 변형으로 테스트했습니다. 이 레귤레이터들은 제가 테스트한 모든 레귤레이터 중에서 가장 낮은 전압 드롭아웃을 가지고 있어, 매우 높은 순위를 차지했습니다. 또한, 이들의 노이즈 성능도 훌륭하지만, 마지막에 살펴본 스위칭 레귤레이터와 마찬가지로 안정적인 작동을 위해 최소 부하가 필요합니다; 다만 그 값이 스위칭 대응품보다 훨씬 낮습니다. 

노이즈 데이터는 상대적으로 높은 노이즈 플로어를 가진 제 Rigol MSO5000 시리즈 스코프로 수집되었습니다. 앞으로 저는 Rohde and Schwarz MXO44 또는 Keysight MXR과 같이 훨씬 낮은 노이즈 플로어를 가진 장비로 모든 레귤레이터를 재테스트할 계획입니다. 

효율성은 순위를 매기는 데 있어 다른 핵심 파라미터이며, Microchip MCP1700 시리즈는... 선형 레귤레이터로서 매우 잘 수행됩니다. 효율성 차트는 입력 전압과 효율성 사이의 선형 관계를 명확하게 보여줍니다.

순위에서 다음으로, 우리는 5볼트 반암페어 레귤레이터인 STMicroelectronics LF50CV를 가지고 있습니다. 차트를 보면 드롭아웃 전압이 MCP1702 5볼트 레귤레이터보다 높아 보일 수 있습니다. 하지만, 이 레귤레이터는 두 배의 전류를 제공할 수 있습니다 - MCP1702의 최대 250mA에서, LF50CV는 드롭아웃에 있어 약간 더 나은 성능을 보입니다. 효율 측면에서는 MCP1702와 거의 같습니다. 

노이즈 데이터는 드롭아웃 데이터와 매우 유사합니다. 차트를 보기만 해도 LF50CV가 훨씬 더 시끄러워 보이지만, 실제로는 부하가 두 배가 되면서 추세가 계속되는 경우입니다. 예를 들어, 8볼트 공급 전압과 250mA 부하에서, MCP1702는 3.79mV의 RMS 노이즈를 가지는 반면, LF50CV는 270mA 부하에서 3.46mV입니다.

텍사스 인스트루먼트의 LM3940IT 1암페어, 3.3볼트 레귤레이터로 넘어가 보면, 전압 드롭아웃이 MCP1700보다 약간 나은 편입니다. 효율성 차트를 보면 상당히 흥미로운데요. 이 레귤레이터의 경부하 효율성은 급격히 떨어지며, 우리가 살펴본 레귤레이터 중 이렇게 가파른 하락을 보이는 첫 번째 사례입니다. 전반적으로, 효율성이 선형 지점에 도달하면 MCP1700보다 몇 퍼센트 덜 효율적입니다.

LM3940IT의 소음도 흥미롭지만, 그 이유를 짐작하고 있습니다. 전반적으로 소음 성능은 매우 우수하며 극히 경부하에서 매우 안정적입니다. 차트의 큰 요동은 측정 오류라고 생각합니다 - 구체적으로, 레귤레이터가 열 차단을 시작하는 것입니다. 이러한 레귤레이터들을 고성능 열전도성 페이스트와 양쪽에 팬이 달린 거대한 방열판에 부착했지만... 일부 구성 요소의 패키지에서 열을 이동시키기에는 여전히 충분하지 않습니다. LM3940IT의 모든 전압과 부하에 걸친 평균 소음은 테스트된 모든 레귤레이터 중 최고입니다, 이상한 소음 스파이크에도 불구하고.

다섯 번째로, 하지만 순위의 바닥에서 멀리 떨어진 곳에는 또 다른 텍사스 인스트루먼트스 부품인 TL780-12KCS가 있습니다. 이는 1.5암페어 12볼트 출력 레귤레이터입니다. 높은 전류와 출력 전압을 고려할 때, 우리가 이미 살펴본 부품들과 비교해서 상당히 높은 전압 드롭아웃을 예상합니다. 데이터는 실망시키지 않습니다 - 1.5암페어 부하에서, 이 레귤레이터에는 부품 간의 변동을 고려하여 최소 15볼트를 공급하고 싶을 것입니다. 그 부하로, 4.5와트의 낭비 열을 처리해야 합니다! 놀랍지 않게도, 레귤레이터는 30볼트 입력에서 1.5암페어 부하를 공급할 때 열 차단에 들어갔습니다. 그럼에도 불구하고, 테스트 중 가장 빨리 열 차단에 도달한 것은 아니었습니다.

효율성은 예상대로입니다, 가장 가벼운 부하에서 급격히 떨어지는 것을 마지막 TI 부품에서 보았던 것처럼, 바로 그 점을 제외하고요. 이는 매우 저렴한 레귤레이터이므로, 스위칭 레귤레이터보다 이것을 선택하고 싶은 이유를 알 수 있습니다 - 하지만 출력 노이즈가 문제가 되지 않는다면, 선형 레귤레이터 대체 스타일의 스위칭 레귤레이터를 선택하는 것이 열 관리 비용보다 더 비쌀 것입니다.

그럼 소음에 대해 살펴보겠습니다. 이런 종류의 조정기를 보는 것이라면, 그것이 효율 때문은 아닐 겁니다! 가장 가벼운 부하에서 약간의 불안정성이 있지만, 그것은 빠르게 사라집니다. 그 소음 성능은 전체 부하 범위에 걸쳐 비교적 일관됩니다.

선형 조정기에 대한 탐구를 마무리하며, 중심 질문으로 돌아가 보겠습니다: 선형 조정기를 스위칭 조정기보다 언제 사용해야 할까요? 우리가 본 바와 같이, 답은 효율성, 소음, 그리고 열 관리 사이의 균형에 달려 있습니다. 선형 조정기는 특히 민감한 아날로그 회로에서 낮은 소음이 중요한 응용 프로그램에 있어 가장 적합한 선택입니다. 그러나, 특히 높은 부하와 상당한 입력-출력 전압 차이 하에서의 효율성 단점은 무시할 수 없습니다.

이 35개의 선형 조정기를 통한 여정은 성능 변화의 흥미로운 풍경을 드러냈습니다. 동일한 부품군 내에서도, 프로젝트의 성능과 설계 고려 사항에 상당한 영향을 줄 수 있는 차이를 관찰했습니다. 이는 실제 테스트의 중요성을 강조하며, 데이터시트 사양에만 의존해서는 안 된다는 것을 시사합니다.

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