circuit

리니어 레귤레이터와 LDO

한 줄 요약 — 남는 전압을 열로 버려서 안정된 전압을 만듭니다. 발열 계산과 출력 커패시터(capacitor) 조건이 핵심입니다.

동작 원리

직렬 통과 소자(패스 트랜지스터(transistor))를 가변 저항처럼 써서 출력을 일정하게 유지합니다.

VIN패스 소자 (PMOS / PNP)가변 저항처럼 동작. 남는 전압을 열로 버린다VOUT피드백 분압출력을 되읽는다오차 증폭기기준전압(Vref)과 비교차이만큼 패스 소자를 다시 민다 (부귀환)패스 소자로 되돌아감
부품하는 일없으면
패스 소자VIN–VOUT 사이의 가변 저항. 저항을 키우면 출력이 내려간다전압 조절 자체가 안 됨
기준전압 (Vref)“여기가 정답”이라는 기준. 밴드갭 회로로 만든다온도가 변하면 출력도 따라 흔들림
오차 증폭기(피드백 − 기준)을 증폭해 패스 소자를 민다부하가 변하면 출력이 그대로 끌려 내려감
피드백 분압출력을 기준전압 크기로 줄여 비교할 수 있게 한다고정 전압만 가능

출력 전압을 감시해 패스 소자의 저항을 조절하는 부귀환(negative feedback)부귀환 negative feedback출력의 일부를 되돌려 빼면 이득은 줄지만 정확도·선형성·대역폭·임피던스가 모두 좋아집니다.ACL=A1+AβA_{CL} = \frac{A}{1+A\beta}자세히 보기 → 루프입니다. 출력이 조금 내려가면 → 오차 증폭기가 그걸 보고 → 패스 소자를 더 열어 → 출력을 다시 올립니다.

표준 vs LDO

표준 (78xx)LDO
패스 소자NPN 달링턴PMOS 또는 PNP
드롭아웃(dropout)2~3 V0.1~0.5 V
정지 전류5~8 mA수십 µA ~ 수 mA
출력 커패시터관대함까다로움 (ESR 조건)
PSRR (고주파)보통소자에 따라

드롭아웃: 정상 동작에 필요한 최소 입출력 전압 차.

Vin,min=Vout+VdropoutV_{in,min} = V_{out} + V_{dropout}
기호
V_dropout전압 (dropout)voltage (dropout)V
V_in,min입력 최소 전압input minimum voltageV
V_out출력 전압output voltageV

💡 3.3 V를 만들려면: 7833(표준)은 최소 5.5 V 입력이 필요하지만, LDO는 3.5 V면 충분합니다. 배터리 구동에서 결정적 차이입니다.

★ 발열 계산 — 가장 흔한 실수

Ploss=(Vin−Vout)×Iout+Vin×IquiescentP_{loss} = (V_{in}-V_{out})\times I_{out} + V_{in}\times I_{quiescent}
기호
I_out출력 전류output currentA
I_quiescent전류 (quiescent)current (quiescent)A
P_loss전력 (loss)power (loss)W
V_in입력 전압input voltageV
V_out출력 전압output voltageV

두 번째 항은 보통 무시할 수 있습니다.

계산 예제

12 V → 5 V, 500 mA:

P=(12−5)×0.5=3.5 WP = (12-5)\times0.5 = 3.5\ \text{W}
기호
P전력powerW

접합 온도:

TJ=TA+P×RθJAT_J = T_A + P\times R_{\theta JA}
기호
P전력powerW
R_ JA저항 (JA)resistance (JA)Ω
T_A온도 또는 주기 (A)temperature or period (A)
T_J온도 또는 주기 (J)temperature or period (J)
패키지RθJAR_{\theta JA}TJT_J (TAT_A=25°C)
SOT-22360 °C/W235 °C ❌ 파괴
TO-220 (방열판 없음)62 °C/W242 °C ❌
TO-220 + 소형 방열판15 °C/W78 °C ✅
TO-220 + 대형 방열판5 °C/W43 °C ✅

⚠️ 효율: 5/12=42%5/12 = 42\%. 절반 이상이 열로 버려집니다.

개선: 벅 컨버터로 6 V를 만들고 LDO로 5 V → 손실 (6−5)×0.5=0.5(6-5)\times0.5 = 0.5 W (7배 감소)

출력 커패시터 — LDO의 함정

LDO는 부귀환 루프이므로 안정성이 있고, 출력 커패시터가 그 루프의 일부입니다.

LDO 종류요구
구형 (PNP 패스)ESR이 특정 범위 안에 있어야 함 (예: 0.2~2 Ω). 세라믹은 ESR이 너무 낮아 발진
현대 CMOS LDO세라믹 전용으로 설계됨. ESR이 크면 오히려 불안정

⚠️ “커패시터를 더 좋은 걸로 바꿨더니 발진한다” 는 전형적인 사고입니다. 전해를 세라믹으로 바꿨을 때 구형 LDO에서 자주 일어납니다.

데이터시트의 안정성 영역(ESR 곡선)을 반드시 확인하세요.

최소 부하 전류

일부 LDO는 최소 부하(수 mA)가 없으면 출력이 상승합니다. 블리더 저항이 필요할 수 있습니다.

★ PSRR — 측정 회로에서 가장 중요한 파라미터

PSRR=20log⁡10ΔVinΔVout\text{PSRR} = 20\log_{10}\frac{\Delta V_{in}}{\Delta V_{out}}
기호
Delta V전압 변화량voltage changeV
PSRR전원 제거비power supply rejection ratiodB
V_in입력 전압input voltageV
V_out출력 전압output voltageV

전형적인 PSRR 곡선:

주파수PSRR
DC~100 Hz60~80 dB
1 kHz50~70 dB
10 kHz40~60 dB
100 kHz20~40 dB
1 MHz< 20 dB

⚠️ 스위칭 레귤레이터(regulator)스위칭 레귤레이터 switching regulator전압을 열로 버리는 대신 빠르게 껐다 켜서 바꾸는 방식으로, 효율은 높지만 잡음을 만듭니다.자세히 보기 →의 리플(수백 kHz)은 LDO가 거의 못 막습니다.

예: 벅의 출력 리플(ripple)리플 ripple직류가 되다 만 나머지 교류분으로, 평활 커패시터가 얼마나 큰지로 정해집니다.Vr=If CV_r = \frac{I}{f\,C}자세히 보기 → 50 mVpp @ 500 kHz, LDO PSRR 25 dB @ 500 kHz:

Vripple,out=50 mV1025/20=5017.8=2.8 mVV_{ripple,out} = \frac{50\ \text{mV}}{10^{25/20}} = \frac{50}{17.8} = 2.8\ \text{mV}
기호
V_ripple,out전압 (ripple, 출력)voltage (ripple, output)V

2.8 mV가 남습니다. 저잡음 측정에는 여전히 큽니다.

해결: LDO 앞에 LC 또는 RC 필터를 두어 고주파를 먼저 줄입니다 → 06

LDO 자체의 잡음

LDO는 내부 기준전압(voltage reference)의 잡음을 출력에 그대로 전달합니다.

등급출력 잡음 (10 Hz~100 kHz)
일반50~200 µVrms
저잡음10~30 µVrms
초저잡음< 1 µVrms (LT3042: 0.8 µVrms)

노이즈 감소 핀(NR/BYP): 기준전압에 커패시터를 달아 잡음을 필터링합니다. 10~100 nF을 달면 잡음이 크게 줄어듭니다. 대신 기동 시간이 길어집니다.

시뮬레이션으로 확인

LDO 입출력 커패시터 회로도RO50mΩLDO 출력 임피던스VIN5VCIN10µFCOUT10µFRL33Ω100mA 부하VREG3.3VINREGOUTGND
LDO 입출력 커패시터워크벤치에서 열기 →
# examples/08-power/ldo-decoupling.yaml
meta:
  name: LDO 입출력 커패시터
  lesson: docs/08-power/02-linear-regulator.md
components:
  - {ref: VIN,  type: vdc, value: 5}
  - {ref: CIN,  type: c, value: 10u}
  - {ref: COUT, type: c, value: 10u, params: {esr: 0.05}}
  - {ref: RL,   type: r, value: 33, label: 100mA 부하}
  # LDO는 이상적 전압원 + 직렬 저항으로 근사
  - {ref: VREG, type: vdc, value: 3.3}
  - {ref: RO,   type: r, value: 0.05, label: LDO 출력 임피던스}
nets:
  IN:   [VIN.p, CIN.1]
  REG:  [VREG.p, RO.1]
  OUT:  [RO.2, COUT.1, RL.1]
  GND:  [VIN.n, CIN.2, COUT.2, RL.2, VREG.n]
analyses:
  - {type: op}
expect:
  - {measure: v, node: OUT, value: 3.295, tol: 1%}
  - {measure: p, of: RL, value: 0.329, tol: 2%}

CIN이나 COUT을 제거한 파일을 circuit check에 넣으면 W303 (레귤레이터 디커플링 없음) 경고가 나옵니다.

⚖️ 부품 트레이드오프

선택✅ 좋아지는 것⚠️ 나빠지는 것
LDO저잡음, 저리플, 간단, 낮은 출력 임피던스, 빠른 과도응답효율 낮음·발열, 입출력 차가 클수록 손실
표준 레귤레이터커패시터 조건 관대, 저렴드롭아웃 큼 (2~3 V)
초저잡음 LDO (LT3042 등)잡음 < 1 µVrms, 높은 PSRR비쌈, 전류 제한적
큰 출력 커패시터과도응답 개선, 리플 감소안정성 조건 확인 필요, 기동 돌입 전류, 크기
NR 핀 커패시터잡음 크게 감소기동 시간 증가 (수 ms~수십 ms)
입출력 차를 작게발열 감소, 효율드롭아웃 여유 부족 → 입력 변동 시 레귤레이션 실패
방열판 추가온도 여유부피·비용, 팬을 쓰면 진동이 측정에 영향

💡 입출력 차를 드롭아웃 바로 위로 최소화하면 발열이 줄지만, 입력이 조금만 떨어져도 레귤레이션이 풀립니다. 입력 리플과 부하 과도까지 고려해 최소 0.3~0.5 V의 여유를 두세요.

🔌 실제 쓰임새

자리권장
AFE 전원초저잡음 LDO + NR 커패시터 + 앞단 필터
ADC 아날로그 전원저잡음 LDO 전용
기준전압 공급저잡음 LDO (기준전압 IC 별도)
MCU·디지털일반 LDO 또는 벅
후단 정제 (post-regulation)벅 뒤에 LDO
큰 전압 강하LDO 대신 벅 (발열)

⚠️ 이상과 실제의 차이

이상실제
출력 전압 정확±1~3% 오차, 부하·온도에 따라 변동
출력 임피던스(impedance)출력 임피던스 output impedance회로가 부하에 전압을 얼마나 굳건히 유지해 주는지를 나타내는 값으로, 낮을수록 부하에 덜 흔들립니다.자세히 보기 → 0주파수에 따라 상승 (루프 이득 감소)
PSRR이 높음고주파에서 급락
잡음 없음기준전압 잡음이 출력에 나타남
세라믹 커패시터가 항상 좋음ESR 조건에 따라 발진
즉시 기동소프트 스타트·NR 커패시터로 지연

연습문제

문제 1. 9 V → 5 V, 300 mA. 발열과 필요한 열저항(thermal resistance)열저항 thermal resistance전력 1 W 를 흘렸을 때 온도가 몇 도 오르는지로, 부품이 탈지 안 탈지를 여기서 계산합니다.TJ=TA+PRθJAT_J = T_A + P R_{\theta JA}자세히 보기 →은? (TAT_A=40 °C, TJ,maxT_{J,max}=125 °C)

exercises/08-02-thermal-resistance.yaml
풀이 P=(9−5)×0.3=1.2 WP = (9-5)\times0.3 = 1.2\ \text{W}
기호
P전력powerW
RθJA≤125−401.2=70.8 °C/WR_{\theta JA} \leq \frac{125-40}{1.2} = 70.8\ \text{°C/W}
기호
R_ JA저항 (JA)resistance (JA)Ω

TO-220 자체가 62 °C/W이므로 방열판 없이 아슬아슬합니다. 여유를 위해 소형 방열판을 권장합니다.

문제 2. LDO의 드롭아웃이 300 mV입니다. 3.3 V를 만들려면 최소 입력 전압은? 리튬 배터리(3.0~4.2 V)로 가능합니까?

연습 8-02-2 — LDO 드롭아웃과 리튬 배터리 회로도RDO3Ω패스 소자 도통 저항 (드롭아웃)VIN4.2V리튬 배터리RL33Ω부하 100 mABATOUTGND
연습 8-02-2 — LDO 드롭아웃과 리튬 배터리워크벤치에서 열기 →
풀이 Vin,min=3.3+0.3=3.6 VV_{in,min} = 3.3+0.3 = 3.6\ \text{V}
기호
V_in,min입력 최소 전압input minimum voltageV

리튬 배터리가 3.6 V 아래로 떨어지면 레귤레이션이 풀립니다. 리튬 셀은 3.6 V 이하 구간에도 상당한 용량이 남아 있으므로 용량의 상당 부분을 쓰지 못합니다.

대안:

  • 드롭아웃이 더 낮은 LDO (100 mV급) → 3.4 V까지 사용
  • 벅-부스트 컨버터 → 배터리 전 구간 사용 가능 (단, 스위칭 노이즈)
  • 3.0 V로 시스템 전압을 낮춤

문제 3. 벅(500 kHz, 리플 30 mVpp) 뒤에 LDO(PSRR 30 dB @ 500 kHz, 자체 잡음 20 µVrms)를 두었습니다. AFE 전원 잡음은? 목표가 5 µVrms라면 어떻게 개선합니까?

exercises/08-02-buck-ldo-noise.yaml
풀이

벅 리플의 통과분:

30 mVpp1030/20=3031.6=0.95 mVpp≈0.34 mVrms\frac{30\ \text{mVpp}}{10^{30/20}} = \frac{30}{31.6} = 0.95\ \text{mVpp} \approx 0.34\ \text{mVrms}

LDO 자체 잡음: 20 µVrms

총 (RSS):

3402+202≈340 μVrms\sqrt{340^2 + 20^2} \approx 340\ \mu\text{Vrms}
기호
mu이동도mobilitym²/V·s

벅 리플이 압도적으로 지배합니다. 목표 5 µVrms의 68배입니다.

개선 (효과 순):

  1. LDO 앞에 LC 필터 — 페라이트 비드(1 µH) + 10 µF → 500 kHz에서 약 30 dB 추가 감쇠

    340 μV→11 μV340\ \mu\text{V} \rightarrow 11\ \mu\text{V}
    기호
    mu이동도mobilitym²/V·s

    ⚠️ 공진(resonance)공진 resonance인덕터와 커패시터의 임피던스가 서로 상쇄되는 주파수로, 그 자리에서 전압이나 전류가 크게 솟습니다.f0=12πLCf_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}자세히 보기 → 댐핑 필요 (4-05)

  2. 초저잡음 LDO로 교체 (LT3042: 잡음 0.8 µVrms, PSRR 79 dB @ 1 MHz)

    30 mVpp1079/20≈3.4 μVpp≈1.2 μVrms\frac{30\ \text{mVpp}}{10^{79/20}} \approx 3.4\ \mu\text{Vpp} \approx 1.2\ \mu\text{Vrms}
    기호
    mu이동도mobilitym²/V·s

    총: 1.22+0.82=1.4 μVrms\sqrt{1.2^2+0.8^2} = 1.4\ \mu\text{Vrms} ✅

  3. 벅의 스위칭 주파수를 높임 (2 MHz) — 필터가 더 잘 듣지만 LDO PSRR은 더 나빠짐. 순효과 확인 필요

  4. 벅 대신 리니어 — 발열을 감수하면 근본 해결

  5. 배터리 — 최선

권장 조합: 초저잡음 LDO + 앞단 LC 필터 → 1 µVrms 이하 달성 가능

자세한 설계 → 16-03 저잡음 전원

이전 ← 01 전원과 접지 개념 정리 | 다음 → 03 스위칭 레귤레이터 개요