Linear Regulators, Switching Regulators, 그리고 Series Regulators 간의 차이점
1. 선형 규제기 대비 스위칭 규제기
선형 규제기는 출력 전압보다 높은 입력 전압이 필요합니다. 이는 입력과 출력 전압 간의 차이 즉, 드롭아웃 전압을 내부 조정 요소(예: 트랜지스터)의 임피던스를 변경하여 처리합니다.
선형 규제기를 정확한 "전압 제어 전문가"라고 생각할 수 있습니다. 과도한 입력 전압에 직면했을 때, 원하는 출력 수준을 초과하는 부분을 "절단"함으로써 결정적으로 "행동"하여 출력 전압이 일정하게 유지되도록 합니다. "절단된" 초과 전압은 결국 열로 방출되어 안정적인 출력을 유지합니다.
회로 구성을 보면 일반적인 시리즈 선형 규제기는 오류 증폭기, 참조 전압 소스, 패스 트랜지스터를 사용하여 실시간으로 출력 전압을 지속적으로 모니터링하고 수정하는 폐루프 피드백 시스템을 형성합니다.
선형 규제기는 주로 3단자 규제기와 LDO(저 드롭아웃) 규제기를 포함합니다. 전자는 상대적으로 큰 입력-출력 전압 차이(일반적으로 ≥2 V)가 필요한 전통적인 구조를 사용하므로 효율이 낮고 중간에서 고출력 응용 분야에 적합합니다. 반면, LDO 규제기는 최소 드롭아웃 전압(최저 0.1 V)을 최적화하여 입력과 출력 전압이 가까운 경우(예: 배터리 기반 장치)에 이상적이지만, 신중한 열 설계가 필요합니다.
그림 1은 선형 및 스위칭 규제기의 작동 원리를 보여줍니다.
반면, 스위칭 규제기는 전력 스위치(예: MOSFET)의 전도 및 차단 타이밍을 제어하여 에너지 전송의 듀티 사이클을 조정합니다. 입력 전압은 인덕터와 커패시터를 통해 에너지를 저장하고 필터링하여 안정적인 평균 출력 전압으로 변환됩니다.
그들의 핵심 특징은 "초퍼 스타일" 조정입니다: 입력 전압은 고주파수로 절단되고, 출력에 전달되는 에너지는 스위치 듀티 사이클을 조정하여 제어됩니다. 이 접근 방식은 선형 규제기에 비해 훨씬 높은 효율을 달성합니다.
스위칭 규제기의 일반적인 위상에는 Buck(스텝다운), Boost(스텝업) 등이 있으며, 넓은 입력 전압 범위를 지원하여 고출력 응용 분야나 입력 전압 변동이 큰 환경에 적합합니다.
그림 2는 선형 및 스위칭 규제기 간의 비교를 제공합니다. 특정 요구 사항에 따라 적절한 유형을 선택할 수 있습니다: 저잡음과 회로 단순성이 중요할 때 선형 규제기를 선택하고, 높은 효율과 높은 출력 전력이 필요할 때는 스위칭 규제기를 선택하세요.
| 특성 | 선형 레귤레이터 | 스위칭 레귤레이터 |
| 효율 | 낮음 (전압 차이가 클 때 큰 손실) | 높음 (80%-95%) |
| 열 방출 요구사항 | 히트 싱크 필요 (직접 열 방출) | 낮음 (스위칭 손실로 간접적으로 열 발생) |
| 노이즈 | 순수한 출력, 고주파 리플 없음 | 스위칭 노이즈 존재, 필터 최적화 필요 |
| 응용 시나리오 | 저전력, 고정밀 전원 공급 (예: 센서) | 고전력, 넓은 입력 전압 범위 (예: 전력 모듈) |
2. 시리즈 전압 조정기
시리즈 전압 조정기는 전원과 부하 사이에 위치하며, 정밀한 "전압 조절 가드" 역할을 합니다. 작동 원리는 입력 전압이나 출력 전류의 변화에 따라 가변 저항의 저항 값을 동적으로 조정하여 출력 전압을 안정된 설정 값으로 유지하는 것입니다.
현대 전자 기술에서는 시리즈 조정기 IC가 MOSFET나 양극성 접합 트랜지스터(BJT)와 같은 활성 소자를 사용하여 전통적인 가변 저항을 우아하게 대체하여 조정기의 성능과 신뢰성을 크게 향상시킵니다.
시리즈 전압 조정기의 회로 구조는 정확하고 잘 구성되어 있으며, 주로 다음 네 가지 핵심 구성 요소로 구성됩니다:
● 출력 트랜지스터: 조정기의 입력과 출력 핀 사이에 직렬로 연결되어 상류 전원과 하류 부하를 연결하는 다리 역할을 합니다. 입력 전압이나 출력 전류의 변동이 발생할 때 오차 증폭기의 신호가 이 트랜지스터의 게이트 전압(MOSFET의 경우) 또는 베이스 전류(BJT의 경우)를 정밀하게 제어합니다.
● 참조 전압 소스: 오차 증폭기에 대한 안정적인 기준점 역할을 하는 참조 전압 소스는 중요한 역할을 합니다. 오차 증폭기는 이 고정된 참조를 통해 출력 트랜지스터의 게이트나 베이스를 정확하게 조절하여 안정된 출력 전압을 보장합니다.
● 피드백 저항: 이러한 저항은 출력 전압을 분할하여 피드백 전압을 생성합니다. 오차 증폭기는 이 피드백 전압을 참조 전압과 비교하여 정밀한 출력 조절을 달성합니다. 두 피드백 저항은 VOUT과 GND 핀 사이에 직렬로 연결되며, 그 중간점의 전압이 오차 증폭기에 입력됩니다.
● 오차 증폭기: 시리즈 조정기의 "지능형 뇌" 역할을 하는 오차 증폭기는 피드백 전압(즉, 피드백 저항 분배기의 중간점 전압)을 참조 전압과 세심하게 비교합니다. 피드백 전압이 참조 전압보다 낮으면 오차 증폭기는 MOSFET의 구동 강도를 높여 드레인-소스 전압을 감소시키고 출력 전압을 상승시킵니다. 반대로 피드백 전압이 참조 전압보다 높으면 증폭기는 MOSFET의 구동 강도를 줄여 드레인-소스 전압을 증가시키고 출력 전압을 적절히 감소시킵니다.
이 문서에서 우리는 여러 유형의 전압 조정기의 작동 원리, 기능 및 회로 구성을 더 깊이 탐구했습니다. 다음 부분에서는 선형 조정기의 동적 조절 메커니즘을 설명하고, 3단자 조정기와 LDO(저락다운) 조정기 간의 차이점을 명확히 할 것입니다.
