저잡음 전압 조절기를 만드는 것은 무엇인가?

작성 날짜: 팔월 13, 2021
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

IC는 제대로 작동하기 위해 안정적인 DC 전원이 필요하며, 낮은 노이즈는 모든 DC 레귤레이터에 대한 표준 요구 사항입니다. 경우에 따라 노이즈를 필터링할 수 있다면 몇 dB의 부하 조절에 대해 걱정할 수도 있지만, 매우 정밀한 타이밍과 매우 좁은 입력 전압 범위를 가진 구성 요소가 필요한 애플리케이션은 낮은 노이즈 함량을 가진 매우 안정적인 DC 전압이 필요합니다. 그렇다면 낮은 노이즈의 정확한 한계를 어떻게 정할 수 있으며, 이러한 애플리케이션에 가장 적합한 레귤레이터 유형은 무엇일까요?

전압 레귤레이터 사양을 본 적이 없다면, 다음 시스템에 낮은 노이즈 전압 레귤레이터를 찾기 위해 마케팅 언어에 의존해야 할 수도 있습니다. 그러나 레귤레이터 자체만이 전부는 아니며, 레귤레이터가 안정적인 낮은 노이즈 DC 출력을 제공하도록 보장하기 위해 필요한 다른 구성 요소와 레이아웃 전략이 있습니다. 낮은 노이즈 레귤레이터의 다양한 유형과 귀하의 요구에 가장 적합한 구성 요소를 선택하는 방법에 대해 알아야 할 사항은 다음과 같습니다.

낮은 노이즈 전압 레귤레이터 기초

낮은 노이즈 전압 레귤레이터는 기술적으로 어떤 토폴로지에서도 구축될 수 있습니다; 실용적인 사용을 위해 노이즈를 충분히 낮추는 방법은 구성 요소 또는 회로 설계자가 다루어야 할 또 다른 문제입니다. 선택하는 레귤레이터 구성 요소는 많은 중요한 사양을 가지고 있지만, 다음 세 가지는 레귤레이터의 노이즈 처리(내부적으로 생성된 것과 외부의 것 모두)에 대해 근본적으로 필요한 모든 것을 알려줍니다.

전원 공급 거부 비율 (PSRR). 간단히 말해서, 이 사양은 레귤레이터가 상류 전원 공급 장치에서 전도된 노이즈(단위 dB)를 얼마나 거부하는지 알려줍니다. LDO의 오류 증폭기는 높은 PSRR을 보장합니다(스위칭 컨버터와 유사하게), 비록 높은 스텝다운이 필요할 경우 비효율적일 수 있습니다.
출력 조절. 이는 명목값에 대해 dB로 측정되거나 백분율로 표시될 수 있습니다. 진정으로 낮은 노이즈 레귤레이터는 매우 낮은 출력 조절 값을 가져야 합니다; 최고의 구성 요소는 조절 등급이 1% 미만일 것입니다. 이 사양은 명목 전압 출력의 일부로 RMS 출력 측면에서도 정의될 수 있습니다.
노이즈 전력 밀도. 임의의 주파수 범위에서 예상할 수 있는 노이즈 양을 보여줍니다. 관련 범위는 DC부터 매우 높은 주파수(100 kHz에서 1 MHz)까지, 또는 스위칭 레귤레이터의 스위칭 주파수까지 취할 수 있습니다.

위에 나열된 세 가지 수량은 모두 주파수에 따라 달라집니다. 노이즈 전력 밀도는 내부적으로 생성된 모든 노이즈 원, 내부 스위칭 노이즈를 포함하여 포괄한다는 점에 유의하세요. 이 세 가지 사양은 낮은 노이즈 전압 레귤레이터를 선택할 때 함께 고려되어야 합니다. 예를 들어, 입력이 0 dB PSRR인 경우 낮은 출력 조절 및 노이즈 전력 밀도는 의미가 없습니다. 마찬가지로, 출력 조절 값이 매우 높다면 PSRR은 중요하지 않습니다.

이산 구성 요소에서 레귤레이터 구축

전압 조정기에서 나오는 출력이나 조정기 IC 내부의 다른 지원 회로는 조정기 출력에서의 노이즈를 더욱 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 별도의 구성 요소에서 자체 선형 조정기를 구축하는 경우, 용량성 배수기를 사용하는 것은 노이즈를 줄이는 간단하지만 강력한 방법입니다; 이 토폴로지는 종종 오디오나 저주파 RF 조정기에서 특수 부품 없이 사용됩니다. 또 다른 예는 이론적으로 완벽한 노이즈 감소를 제공하는 활성 조정기입니다.

더 나아가 노이즈 감소를 원한다면 입력/출력에 추가 필터링이 필요하거나 고도로 엔지니어링된 통합 솔루션을 사용해야 합니다. 또한 출력에서의 여과와 스위칭 주파수가 조정기의 노이즈 내용에 어떤 영향을 미치는지 고려해야 합니다.

스위칭 주파수와 여과의 역할

스위칭 컨버터를 찾고 있다면, 조정기의 출력에 추가 노이즈가 발생할 것입니다. 본질적으로 스위칭 조정기는 AC 소스에서 저주파 리플을 고주파 노이즈로 교환하며, 이는 PWM 신호의 대역폭에 걸쳐 퍼집니다. 이것은 많은 저노이즈 전압 조정기 구성 요소가 LDO인 이유를 설명해야 합니다; 스위칭 노이즈가 없습니다. 이 기사를 살펴보세요 스위칭 컨버터 설계와 컨버터에 가장 적합한 주파수를 선택하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

CISPR 한계와 비교한 두 가지 모드로 구동되는 벅 컨버터에 의해 생성된 예제 노이즈 스펙트럼. [출처]

마지막으로, 조정기에서 매우 낮은 노이즈 내용이 필요한 경우, 고차 저역 통과 필터를 사용하여 일부 노이즈 내용을 제거할 수 있습니다. 이러한 필터는 수동 부품으로 설계될 수 있지만, 스위칭 조정기에서 높은 전류로 작업할 때 레이아웃에 주의하세요; 스위칭 동작은 필터 출력에 전류를 유도할 수 있는 높은 자기장을 생성하며, 이는 다른 구성 요소로 전파됩니다.

저노이즈 전압 조정기의 두 가지 예

STMicroelectronics, LD56100

저전압, 중간 전류 애플리케이션의 경우, STMicroelectronics의 LD56100 시리즈는 최대 5.5 V 출력을 1 A 전류로 제공하는 저노이즈 LDO입니다. 통합 세라믹 캐패시터를 사용하여 출력을 안정화하며 120 mV의 매우 낮은 드롭아웃 전압을 제공합니다. PSRR은 70 dB (1 kHz 주파수)로 평가되며 3 V 출력에서 0.13 mV RMS 노이즈를 제공합니다.

LD56100 저노이즈 LDO 조정기의 블록 다이어그램. 출처: LD56100 데이터시트.

아날로그 디바이스 LTC7151S

저비용, 저소음 전압 조절기의 한 예로 아날로그 디바이스의 LTC7151S가 있습니다. 이 SMD 저소음 조절기는 사용자가 제어할 수 있는 400 kHz에서 3 MHz까지의 조절 가능한 스위칭 주파수를 제공하며 통합 PWM 드라이버를 갖추고 있어, 저손실을 가진 고전력 스위칭 컨버터가 필요한 시스템에 적합한 선택입니다. 입력 범위는 최대 20 V까지이며, 출력 범위는 최대 5.5 V까지이며, 부하에 15 A를 전달할 수 있습니다. 두 가지 공급 조절 모드가 제공되며, 두 모드 모두 전체 출력 전류 범위에 걸쳐 출력 부하 조절을 0.25% 이하로 유지합니다.

LTC7151S 저소음 전압 조절기 응용 회로. 출처: LTC7151S 데이터시트.

전력 시스템을 위한 기타 구성 요소

저소음 전압 조절기는 스스로 저소음 상태가 되지 않으며, 원하는 전력 출력과 소음 기준을 제공하기 위해서는 조절기 섹션에 다른 구성 요소가 필요합니다. 고전력 시스템에서 매우 정밀한 조절을 유지하면서 동시에 안정성을 보장하고 저소음을 확보하는 것은 주요 도전 과제로, 다양한 다른 전력 관리 구성 요소가 필요합니다. 여러분의 제품에 필요할 수 있는 기타 구성 요소는 다음과 같습니다:

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