리니어 레귤레이터의 개념은 단순합니다. 그림 1은 폐쇄 루프 컨트롤 설계를 사용하는 전형적인 리니어 레귤레이터 설계도입니다. 패스 트랜지스터가 입력에서 출력으로 흐르는 전류를 제한하는 가변 레지스터 역할을 하여 조절 기능을 제공합니다. 따라서 출력 전압은 항상 입력 전압보다 낮아야 합니다.
DC/DC 변환 시 스위칭 레귤레이터와 리니어 레귤레이터의 장단점
2024. 12. 13
DC 전압 조절에는 긴 역사가 있습니다. 최초의 통합형 회로 레귤레이터는 50년 전에 출시되었습니다. 리니어 레귤레이터가 먼저 등장했고, 초창기 설계 중 일부는 지금까지도 사용되고 있습니다. 이후, 효율과 설계 유연성에 대한 요구가 높아지면서 스위칭 레귤레이터 토폴로지 개발에 박차를 가하게 되었습니다. 리니어 디자인과 스위칭 디자인은 모두 특정 용도에서 각자의 장단점이 있습니다. 이 블로그에서는 이 두 가지 방식을 비교해 보겠습니다.
DC/DC 변환 시 스위칭 레귤레이터와 리니어 레귤레이터의 장단점
레지스터 분배기 체인 R1/R2를 선택한 것은 필수 출력 전압 VOUT, 오차 증폭기의 반전 입력 지점에서의 분할 강하된 전압이 비반전 입력의 VREF 전압과 같아야 하기 때문입니다. 오차 증폭기는 입력 간 전압 차이가 항상 0이 되도록 출력을 제어합니다.
리니어 레귤레이터는 스위칭 노이즈를 최소화하므로 낮은 노이즈 수준이 요구되는 분야에 적합합니다. 정상 작동 시 입력 전압이 급변하더라도 출력 전압은 안정적으로 유지됩니다. 즉, 입력 리플(ripple)을 기본 주파수뿐만 아니라 5차, 10차에 이르는 고조파에서도 매우 효과적으로 걸러낼 수 있다는 뜻입니다. 유일한 한계는 내부 오차 증폭기의 대역폭입니다. 저소음을 요하는 분야로는 데이터 수집 시스템, 정밀 아날로그 회로, 사물 인터넷(IoT) 센서 등이 있습니다.
리니어 레귤레이터는 가성비가 좋고 구성품 수도 적어 비용이 적거나 공간이 한정된 소비자 또는 산업용 디자인에 적합합니다. 반면, 입력 및 출력 간 전압(VIN – VOUT)은 패스 트랜지스터 전체에 나타나기 때문에 전력 손실이 발생하고, 이를 열 형태로 방출해야 합니다. 입력과 출력 간 전압 차이에 따라 공급된 전력의 상당 부분이 손실될 수 있습니다. 예를 들어 9V 입력에서 5V 출력을 도출하는 리니어 레귤레이터인 경우 공급된 전력의 44%가 열 형태로 낭비되므로 효율이 56%에 불과합니다. 리니어 레귤레이터는 발열 요구 사항 때문에 대형 히트싱크가 필요하거나 냉각 방식을 추가해야 할 수 있습니다.
리니어 레귤레이터는 스위칭 노이즈를 최소화하므로 낮은 노이즈 수준이 요구되는 분야에 적합합니다. 정상 작동 시 입력 전압이 급변하더라도 출력 전압은 안정적으로 유지됩니다. 즉, 입력 리플(ripple)을 기본 주파수뿐만 아니라 5차, 10차에 이르는 고조파에서도 매우 효과적으로 걸러낼 수 있다는 뜻입니다. 유일한 한계는 내부 오차 증폭기의 대역폭입니다. 저소음을 요하는 분야로는 데이터 수집 시스템, 정밀 아날로그 회로, 사물 인터넷(IoT) 센서 등이 있습니다.
리니어 레귤레이터는 가성비가 좋고 구성품 수도 적어 비용이 적거나 공간이 한정된 소비자 또는 산업용 디자인에 적합합니다. 반면, 입력 및 출력 간 전압(VIN – VOUT)은 패스 트랜지스터 전체에 나타나기 때문에 전력 손실이 발생하고, 이를 열 형태로 방출해야 합니다. 입력과 출력 간 전압 차이에 따라 공급된 전력의 상당 부분이 손실될 수 있습니다. 예를 들어 9V 입력에서 5V 출력을 도출하는 리니어 레귤레이터인 경우 공급된 전력의 44%가 열 형태로 낭비되므로 효율이 56%에 불과합니다. 리니어 레귤레이터는 발열 요구 사항 때문에 대형 히트싱크가 필요하거나 냉각 방식을 추가해야 할 수 있습니다.
복잡한 대신 효율적인 스위칭 레귤레이터
스위칭 DC/DC 컨버터가 발명되면서 효율성은 향상되었지만, 설계 방법은 훨씬 복잡해졌습니다. 스위칭 컨버터의 경우 리니어 디자인과는 반대로 유도성, 용량성 부품의 에너지를 저장하는 속성을 활용해 개별 에너지 패킷에 전력을 전달하는 방식을 취했습니다. 에너지 패킷은 인덕터의 자기장이나 커패시터의 전기장에 저장됩니다. 스위칭 컨트롤러가 있어 부하에 필요한 에너지만 각각의 패킷에 전달하도록 하기 때문에, 매우 효율적인 토폴로지입니다. 최선의 형태로 구현한 디자인이라면 95% 이상의 효율성을 달성할 수 있습니다. 리니어 레귤레이터와 달리 스위칭 레귤레이터의 효율은 입출력 간 전압 차에 좌우되지 않습니다.
그림 2는 스위칭 DC/DC 컨버터의 블록 다이어그램을 간단하게 나타낸 것입니다. 스위칭 토폴로지에는 수많은 유형이 있으므로 설계 유연성이 매우 뛰어납니다. 스위칭 DC/DC 레귤레이터의 경우 입력 전압보다 높거나 낮은 출력 전압을 도출(승압 또는 감압)하거나 입력 전압과 출력 전압을 역전할 수 있습니다. 절연 토폴로지도 있고, 비절연 토폴로지도 있습니다.
스위칭 레귤레이터는 효율성이 우수하고 발열 요구 사항이 적어 크기가 작은 편입니다. 그러나 설계하고 구현하려면 디지털과 아날로그 제어, 자기, 기판 레이아웃 등 다양한 스킬이 필요하기 때문에 훨씬 까다롭습니다. 전력 수준이 주어진 경우 그에 맞춰 설계 효율을 높이려면 구성품을 추가해야 할 뿐만 아니라 이에 따라 비용도 늘어나고 작업이 훨씬 복잡해집니다.
급속한 스위칭 동작으로 인해 전자기 간섭(Electromagnetic Interference, EMI) 또는 스위칭 노이즈가 발생할 수 있고, 이에 따라 인접한 구성품에 영향을 미칠 수 있습니다. 설계자는 스위칭 노이즈의 영향을 최소화하기 위해 구성품 배치, 접지, 트레이스 라우팅 등에 주의를 기울여야 합니다. 스위칭 레귤레이터는 서버, 컴퓨터용 고전력 공급장치, 산업용 공정 관리 등 고효율성이 중요한 분야에 적합합니다. 배터리 구동식 장치도 고효율의 레귤레이터를 통해 배터리 수명을 늘릴 수 있습니다. 휴대용 장치, 전기차 등이 대표적인 예입니다. 스위칭 레귤레이터는 작동 효율이 우수하기 때문에 부피가 큰 히트싱크가 필요 없을 경우가 많습니다. 이 점은 특히 공간이 제한된 설계에 유익합니다.
스위칭 레귤레이터는 효율성이 우수하고 발열 요구 사항이 적어 크기가 작은 편입니다. 그러나 설계하고 구현하려면 디지털과 아날로그 제어, 자기, 기판 레이아웃 등 다양한 스킬이 필요하기 때문에 훨씬 까다롭습니다. 전력 수준이 주어진 경우 그에 맞춰 설계 효율을 높이려면 구성품을 추가해야 할 뿐만 아니라 이에 따라 비용도 늘어나고 작업이 훨씬 복잡해집니다.
급속한 스위칭 동작으로 인해 전자기 간섭(Electromagnetic Interference, EMI) 또는 스위칭 노이즈가 발생할 수 있고, 이에 따라 인접한 구성품에 영향을 미칠 수 있습니다. 설계자는 스위칭 노이즈의 영향을 최소화하기 위해 구성품 배치, 접지, 트레이스 라우팅 등에 주의를 기울여야 합니다. 스위칭 레귤레이터는 서버, 컴퓨터용 고전력 공급장치, 산업용 공정 관리 등 고효율성이 중요한 분야에 적합합니다. 배터리 구동식 장치도 고효율의 레귤레이터를 통해 배터리 수명을 늘릴 수 있습니다. 휴대용 장치, 전기차 등이 대표적인 예입니다. 스위칭 레귤레이터는 작동 효율이 우수하기 때문에 부피가 큰 히트싱크가 필요 없을 경우가 많습니다. 이 점은 특히 공간이 제한된 설계에 유익합니다.
RECOM 레귤레이터
RECOM 엔지니어는 특정 용도에 맞춰 스위칭 토폴로지와 리니어 토폴로지를 최선의 형태로 결합하여 설계하는 데 일가견이 있습니다.
고전력 설계의 경우, 1차 변환은 전체 효율을 극대화하기 위해 스위칭 레귤레이터를 사용합니다. 스위칭 단계에서 부하를 직접 제공하는 다양한 전압을 도출하거나, 노이즈를 줄여야 하는 사용 사례의 경우 리니어 레귤레이터를 직렬로 추가할 수 있습니다.
저전력 분야의 경우, 최선의 전략은 각 용도에 따라 다릅니다. 리니어 레귤레이터 하나로 해결될 수도 있습니다. 상황에 따라 스위칭 디자인과 리니어 디자인을 결합해야 최선의 결과를 도출할 수 있습니다. 그림 3의 경우 절연식 스위칭 토폴지의 2차 측 +Vout 라인에 리니어 레귤레이터를 직렬로 추가하여 출력을 조절했습니다. 이 경우 스위칭 토폴로지는 푸시-풀 컨버터입니다. 이 방식은 두 가지 레귤레이터를 한 장치에 패키지 형태로 내장하므로, 리니어 디자인만 사용한 것보다 효율적이며, RECOM의 최저 전력량 DC/DC 컨버터 중 일부에서 이러한 방식을 활용하고 있습니다.
저전력 분야의 경우, 최선의 전략은 각 용도에 따라 다릅니다. 리니어 레귤레이터 하나로 해결될 수도 있습니다. 상황에 따라 스위칭 디자인과 리니어 디자인을 결합해야 최선의 결과를 도출할 수 있습니다. 그림 3의 경우 절연식 스위칭 토폴지의 2차 측 +Vout 라인에 리니어 레귤레이터를 직렬로 추가하여 출력을 조절했습니다. 이 경우 스위칭 토폴로지는 푸시-풀 컨버터입니다. 이 방식은 두 가지 레귤레이터를 한 장치에 패키지 형태로 내장하므로, 리니어 디자인만 사용한 것보다 효율적이며, RECOM의 최저 전력량 DC/DC 컨버터 중 일부에서 이러한 방식을 활용하고 있습니다.
결론
스위칭 레귤레이터는 효율적이고 설계 유연성이 뛰어나며 폼팩터가 작은 것이 장점이지만, 디자인이 복잡하고 스위칭 노이즈로 인해 EMI 문제가 발생할 수 있다는 단점도 있습니다. 리니어 레귤레이터의 경우 단순하고 노이즈가 적고 비용 효율적이지만, 효율성이 떨어지고 부피가 큰 히트싱크가 필요할 수 있습니다. RECOM에서는 각종 전력 변환 용도에 맞는 기능을 선택해 조합하도록 지원해 드릴 수 있습니다.
용도
