PCB에서 LDO와 스위칭 레귤레이터 사용하기

우리가 원하든 원하지 않든, 전자 기기에 공급하는 전력은 항상 안정적이지 않습니다. 실제 전원 소스에는 노이즈가 포함되어 있을 수 있으며, 전력 불안정을 보이거나 예기치 않게 전력이 끊길 수 있습니다. 다행히도, 이러한 문제 중 일부를 방지하는 데 도움이 되는 전력 조정기가 있습니다.

저전력 장치의 경우, 일반적으로 두 가지 유형의 전력 조정기를 볼 수 있습니다: 선형 전압 조정기(때로는 저드롭아웃 조정기 또는 LDO라고 함) 또는 스위칭 조정기입니다. 전력 버스를 따라 이러한 조정기를 혼합하여 매치할 수 있지만, 설계에서 LDO와 스위칭 조정기 중 어느 것을 사용할지, 선형 조정기와 스위칭 조정기의 차이점을 선택하는 문제는 여전히 남아 있습니다.

이러한 결정이 어떻게 이루어지고 어떤 유형의 조정기를 사용해야 하는지 궁금했다면, 입력/출력 전압/전류를 단순히 살펴보는 것 이상의 결정 요소가 있다는 것을 알아야 합니다. 저전력 설계를 위한 선형 전압 조정기와 스위칭 조정기 선택에 대해 더 알아보려면 계속 읽어보세요. 이 블로그에서는 PCB 레이아웃에 관심이 있으므로, LDO나 스위칭 조정기를 지원하기 위해 레이아웃에서 무엇이 일어나야 하는지 간략히 논의하겠습니다.

선형 전압 조정기 대 스위칭 조정기 비교

이러한 종류의 전력 조정기와 레이아웃에 들어가기 전에, 각 회로가 어떻게 작동하는지 상기하는 것이 좋습니다. LDO 회로도는 단계 하강형 선형 DC-DC 전압 변환기이므로, 벅 변환기와 비교하는 것이 가장 좋습니다. 또한 트랜지스터를 사용하는 저항성 선형 조정기 또는 직렬 및 병렬 조정기도 있지만, PCB의 전력 버스에서 자주 사용되지 않으므로 이들에 대해서는 잠시 논의하지 않검습니다.

저압차 조정기 (LDO)

LDO는 연산 증폭기를 기반으로 하는 선형 조정기입니다. 회로는 조정기 출력과 참조 전압(실리콘 밴드갭 참조, 약 1.25 V 출력)을 피드백 루프 내에서 비교함으로써 작동합니다. 기본 토폴로지는 아래에 나와 있습니다. 이 다이어그램에서는 NPN 트랜지스터가 사용되었지만, 실제 회로에서는 보통 MOSFET을 찾을 수 있습니다.

LDO에서의 헤드룸

낮은 드롭아웃 전압 조정기는 일정한 "여유 공간"을 가지고 있으며, 이는 명목 출력보다 약간 높은 전압인 드롭아웃 전압으로, 구성 요소가 켜질지 여부를 결정합니다. V(in) - V(out) > 여유 공간인 경우, 구성 요소는 명목 출력 전압을 제공합니다. 전압 분배기는 입력 전압을 낮추어 연산 증폭기가 참조 전압(V-Ref)과 비교할 수 있도록 합니다. 별도의 구성 요소로 LDO 회로를 구축하지 않는 한, 연산 증폭기 회로를 설정하고 R1/R2를 선택하는 것에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 이들은 구성 요소에 통합되어 있습니다.

마지막으로, C1과 C2는 각각 입력과 출력에서 전압을 정리하는 필터 캐패시터입니다. 이 값들은 여유 공간에 영향을 주지 않지만, 입력과 출력에서의 노이즈를 감쇠하는 데 도움이 됩니다. 연산 증폭기는 입력 전압이 조정기의 여유 공간보다 높은 한 조정기의 출력을 원하는 수준으로 설정합니다.

벅 컨버터

앞서 언급되었듯이, LDO 회로는 둘 다 스텝다운 구성 요소인 벅 컨버터와 비교하는 것이 가장 좋습니다. 스위칭 컨버터의 목표는 간단합니다: 스위칭 요소로 부하에 전달되는 전류와 전압을 변조하여 안정적이면서 조절 가능한 출력 전압을 생성하는 것입니다. 이는 일반적으로 PWM 신호로 구동되는 전력 MOSFET이지만, 공진 LLC 컨버터와 같은 훨씬 큰 규제기는 고전류 출력을 제공하기 위해 여러 MOSFET을 병렬로 사용할 수 있습니다. 어떤 경우든, 모든 벅 규제기는 입력 전압의 저주파 변동을 억제하지만, MOSFET의 스위칭 동작으로 인해 출력에는 일부 고주파 잡음이 발생하며, 이는 시뮬레이션에서 명확하게 볼 수 있습니다.

LDO 대 벅 컨버터 비교

그렇다면 이러한 규제기를 각각 언제 사용해야 할까요? 둘 다 DC 전압을 유용한 수준으로 낮추면서 잡음을 정리하므로, 서로 교환 가능하지 않을까요? 사실 때때로 교환 가능하지만, 필요한 전력 수준과 전원의 특성에 따라 달라집니다. 아래 표는 이러한 회로 유형의 서로 다른 측면과 그 장점을 요약합니다.

이 표에는 많은 내용이 있지만, 여기 몇 가지 요점을 요약해 보겠습니다.

1. LDO는 스위칭 레귤레이터에 비해 저소음 대안입니다. 레이아웃이 더 간단하며 비용도 적게 듭니다.
2. LDO는 때때로 스위칭 레귤레이터에서 전압을 더 낮은 수준으로 추가로 낮추는 데 사용됩니다. 실제로 일부 스위칭 레귤레이터 구성요소는 출력에 LDO를 포함하고 있습니다; 예를 들어 ADP5037을 참조하세요.
3. 스위칭 레귤레이터는 PWM 구동 주파수를 조정하는 것만으로 매우 정밀한 전압 제어를 제공할 수 있습니다. LDO 레귤레이터에서는 제어가 수동적입니다.

PCB 레이아웃을 위한 LDO 및 스위칭 레귤레이터

이 주제는 꽤 심도 있게 다루어지는데, PCB 레이아웃 부분은 레귤레이터 회로, 전력 버스, 그리고 하류 부하에 초점을 맞출 수 있습니다. 저는 선호하는 두 가지 지침이 있습니다:

• 원하는 전류를 지원하는 데 필요한 트레이스 폭에 주의하고, IR 드롭을 낮게 유지하며, 온도를 안전한 한계 내에서 유지하세요. 고전류에서 작업할 때는 폴리곤 푸어를 사용하는 것을 두려워하지 마세요.
• 루프 인덕턴스를 작게 유지하세요. 이는 구성요소를 서로 가까이 배치하고 PCB에서 반환 경로를 추적하여 EMI 문제를 생성하지 않도록 하는 것을 의미합니다.

아래 이미지는 제가 말하고자 하는 바를 보여줍니다. 이 레이아웃은 3 MHz에서 작동하는 스위칭 레귤레이터용입니다. L2와 필터 캡으로 이루어진 중요 부분, 즉 근처의 접지면으로 돌아가는 타이트한 원형 반환 경로를 볼 수 있습니다. 이는 낮은 방사된 EMI 방출 및 수신을 보장하는 데 도움이 됩니다. 같은 원칙이 LDO 회로에도 적용되지만, 그 경우에는 스위칭이 없기 때문에 EMI의 수신에 더 많은 걱정을 합니다.

LDO나 스위칭 컨버터에 대한 애플리케이션 노트에서 레이아웃 예제를 자주 볼 수 있습니다. 이러한 예제들을 주의해서 보세요; 전류를 다루는 데는 괜찮을 수 있지만, 레이아웃에 EMI 문제가 숨어 있을 수 있습니다. 애플리케이션 노트의 이러한 EMI 문제는 종종 잘 정의되지 않은 반환 경로나 낮은 루프 인덕턴스를 가진 컴팩트한 레이아웃을 만들지 못하는 데서 비롯됩니다. Mark Harris가 최근 기사에서 스위칭 레귤레이터를 위한 컴팩트한 PCB 레이아웃의 훌륭한 예를 보여주므로, 경험이 풍부한 레이아웃 엔지니어로부터 좋은 가이드라인을 보고 싶다면 확인해 보세요.

PCB 레이아웃에서 선형 전압 조정기와 스위칭 조정기 중에서 결정을 내린 후에는 Altium Designer®의 최고의 CAD 도구 및 구성 요소 관리 기능을 사용하여 설계를 배치하고 라우팅하세요. 설계를 마친 후 제조업체에 파일을 릴리스하려면 Altium 365™ 플랫폼을 사용하면 프로젝트를 협업하고 공유하기가 쉽습니다. Altium Designer와 Altium 365에서 할 수 있는 것의 표면만 긁었을 뿐입니다. 보다 심층적인 기능 설명이나 On-Demand Webinars 중 하나를 제품 페이지에서 확인할 수 있습니다.