[H/W] 레귤레이터 Regulator

스위칭 레귤레이터란? LDO(Low Drop-Out) 레귤레이터란? 선형 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 비교? 스위치 캐패시터 변환기란? 오류 플래그란? On/Off 및 셧다운이란? 동기화 및 주파수 조정이란?

스위칭 레귤레이터란?  스위칭 레귤레이터는 출력 전압을 생성하기 위해, 에너지 저장 컴포넌트(커패시터 및 유도기) 및 출력 스테이지를 사용하는 장치로서, 켜짐과 꺼짐을 반복합니다. 레귤레이션 기능은 출력 전압의 피드백 샘플에 기초한 스위치 타이밍 조정을 통해 이루어집니다. 고정 주파수 레귤레이터에서는, PWM 컨트롤로 알려져 있는 스위치 전압의 펄스 폭을 변조시킴으로써 스위치 타이밍을 조정합니다. 게이트 오실레이터 또는 버스트 방식 레귤레이터에서는 스위치 펄스 및 주파수가 일정하게 유지되지만, 출력 스위치는 피드백 컨트롤에 의해 게이트 온 또는 오프됩니다. 스위치 및 에너지 저장 컴포넌트의 배열에 따라 출력 전압을 입력 전압 이상 또는 이하로 생성시킬 수 있으며, 이러한 다중 출력 전압은 하나의 레귤레이터로도 생성될 수 있습니다. 대부분의 경우, 동일한 입력 전압 및 출력 전력 조건 하에서는 소스 buck(강압) 스위칭 레귤레이터가 선형 레귤레이터보다 원시 전력 변환에 훨씬 더 효율적입니다..  LDO(Low Drop-Out) 레귤레이터란?  LDO는 일종의 선형 레귤레이터입니다. 선형 레귤레이터는 선형 영역 내에서 작동되는 트랜지스터나 FET를 사용하여, 입력된 전압에서 과도한 전압을 제거해 줌으로써 원하는 출력 전압을 생성해 주는 장치입니다. 레귤레이터가 출력 전압을 공칭값100mV 이내로 유지시키는 데 필요한, 출력 전압 차동(differential)에 대한 최소한의 입력 전압을 드롭 아웃 전압이라고 합니다. 포지티브(positive) 출력 전압을 위한 LDO(Low Drop-Out) 레귤레이터는 전력 트랜지스터(패스 장치라고도 함)를 위해 PNP를 자주 사용합니다. 이 트랜지스터는 포화(saturate)가 허용되므로 레귤레이터가 통상적으로 200mV내외의 매우 낮은 드롭 아웃 전압을 지닐 수 있는 반면, NPN 복합 전력 트랜지스터를 사용하는 일반적인 선형 레귤레이터는 2V나 되기 때문에 많은 차이를 느낄 수 있습니다. 네거티브(negative) 출력 LDO는 포지티브 출력 LDO의 PNP 장치와 비슷한 방식에서 작동하는 패스 장치를 위해 NPN을 사용합니다. CMOS 전력 트랜지스터를 사용하는 신형 제품들은 가장 낮은 드롭 아웃 전압을 제공할 수 있습니다. CMOS에 있어서 레귤레이터의 유일한 전압 드롭은 전력 장치의 ON 저항에 부하 전류를 곱한 값입니다. 부하가 적을 경우에 그 값은 수 십 밀리 볼트에 불과하게 됩니다.  선형 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 비교?  선형 전압 레귤레이터 스위칭 전압 레귤레이터 이점: 이점: 단순함   낮은 출력 리플 전압   탁월한 라인 및 부하 레귤레이션   부하 또는 라인 변화에 대한 빠른 대응 시간   낮은 전자파 장애(EMI) 높은 효율성(원시 전력 필요량 및 히트 싱크 요구 사항이 줄어듦)   높은 전력 밀도를 처리할 수 있는 능력   입력 전압보다 높거나 낮은 단일 및 다중 출력 전압을 제공할 수 있는 토폴로지 단점: 단점: 낮은 효율성   히트싱크 필요 시 많은 공간 필요? 상대적으로 높은 출력 리플 전압   상대적으로 느린 트랜지언트 회복 시간   전자파 장애 발생  스위치 캐패시터 변환기란?  일반적으로 스위치 캐패시터 변환기에는 4개의 커다란 MOS 스위치가 있는데, 이것들이 순서대로 작동하여 일반적으로 입력 공급 전압을 반전하여 주거나 두 배 또는 절반으로 만들어 줍니다. 에너지 전송 및 저장은 외부 캐패시터를 통해 제공됩니다. 스위칭 주기 중 첫 번째 부분에서는 입력 전압이 하나의 캐패시터(C1)에 입력되고, 두 번째 부분에서는 C1의 전하가 두 번째 캐패시터 C2로 전송됩니다. 가장 일반적인 스위치 캐패시터 변환기는 인버터이며, 여기서 C2는 그라운드로 참조된 포지티브 측면을 가지며, 네거티브 측면은 네거티브 출력 전압을 전달합니다. 많은 주기가 실행된 후에는, C2를 흐르는 전압은 입력 전압까지 올라가게 됩니다. C2에 걸리는 부하나 스위치의 전압 손실이 없고 캐패시터에서의 직렬 저항이 없다고 가정할 때, 출력 전압은 입력 전압의 네거티브와 정확히 일치하게 될 것입니다. 현실적으로, 전하 전송 효율성(그에 따른 출력 전압 정확도)은 스위칭 주파수 및 스위치의 켜짐 저항, 캐패시터 값 및 직렬 저항에 따라 달라집니다. 비슷한 토폴로지인 더블러는 동일한 세트의 스위치 및 캐패시터를 사용하지만, 그라운드와 입력 전압의 연결을 변경시킵니다. 다른 좀 더 복잡한 기종에서는 Vin 대 Vout의 비율에 대해 더 많은 스위치와 캐패시터가 사용되며, 어떤 것들은 특수한 스위칭 순서를 사용하여 (3/2와 같은) 분수 관계를 생성하기도 합니다. 가장 단순한 형태의 스위치 캐패시터 변환기는 레귤레이션이 되지 않습니다. 몇몇 내셔널의 최신 스위치 캐패시터 컨버터에는 맞춤 출력을 생산하기 위해 자동으로 조정되는 이득 단계(gain stage)들이 있고, 다른 제품들은 내부의 LDO 선형 레귤레이터로 조절되지 않은 출력을 따릅니다.  오류 플래그란? 오류 플래그란 조절된 출력 전압이 레귤레이트된 출력 전압에서 보통 5% 이상 떨어질 때 신호를 보내는 개방 콜렉터 출력입니다. 초기에 출력 전압이 규격 출력 전압의 95%에 도달할 때까지는 오류 플래그 신호가 낮습니다. 어떤 경우에는 지연(delay)이 오류 플래그의 power-OK 트랜지션에 추가되기도 합니다. 이러한 지연은 외부 캐패시터에 의해 정해지며, Power-On-Reset 기능으로서 사용되어 마이크로 프로세서를 power-up에 재설정할 수 있습니다. “오류”라는 용어 위에 막대가 표시되면, 낮은 출력 전압 상태로 인해 개방 콜렉터 출력이 높아지게 됩니다(플래그 트랜지스터 OFF). 출력 전압이 규격의 5% 미만일 경우에는 플래그 출력이 낮아지게 됩니다.  On/Off 및 셧다운이란?  On/Off 또는 셧다운 기능은 전력 공급 시 레귤레이터가 켜짐 또는 꺼짐 상태가 되게 합니다. 꺼짐 또는 종료 모드에서는 출력 단계가 실행 불능상태가 됨으로 해서 레귤레이터의 공급 전류가 낮아지지만, 내부 바이어스 회로는 선택적입니다. 다시 켜진 상태가 되었을 때, 레귤레이터는 입력 공급 전압이 꺼진 후 켜졌을 때보다 훨씬 더 신속하게 출력 전압 조절 기능을 회복할 수 있습니다. 켜짐/꺼짐 중 “켜짐” 부분 또는 “종료” 부분 위에 막대가 나타날 경우 레귤레이터는 논리 고수준에서 켜지게 되며, 그렇지 않을 경우에는 논리 저수준에서 레귤레이터가 실행됩니다.  Sync(동기화) 및 주파수 조정이란?  스위칭 레귤레이터 및 스위치 캐패시터 변환기는 내부 오실레이터를 사용하여 출력 트랜지스터의 스위칭 주파수를 설정합니다. 이러한 스위칭 주파수 값은 변환기에 사용되는 주변 기기의 일부를 결정하며, 변환기가 만들어내는 노이즈의 주파수를 결정하고, 변환기의 수행 기능에 영향을 줍니다. 어떤 변환기들은 내부 오실레이터 주파수를 조정하거나(“주파수 조정”), 외부 소스에 대한 오실레이터를 동기화시킴으로써(“Sync”) 스위칭 주파수를 변경시킵니다. 일반적으로 스위칭 주파수를 늘리게 되면, 규모가 작은 기기들(캐패시터, 유도기 등)을 변환기 출력 단계에서 사용할 수 있게 됩니다. 이렇게 하면 변환기의 효율성이 감소될 수 있는데, 이는 고 품질의 기기를 함께 사용하지 않는 이상 스위칭 손실이 증가하기 때문입니다. 보드에 다수의 변환기가 있을 경우, 이들을 공통 소스로 동기화시키는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 생성되는 소음을 통제할 수 있으며, 그렇게 하지 않을 경우 생성될 수 있는 “비트 주파수”를 최소화합니다. 이러한 문제는 보통 5W 이상의 고 전력 변환기에서 중요하게 작용합니다. 많은 경우에 있어서, 스위칭 주파수는 기본값으로부터만 증가할 수 있습니다. 이 기능에 대한 주파수 범위는 제품 명세서에 명시되어 있습니다. [출처] 레귤레이터 Regulator|작성자 가빈