■ RF 및 계측 분야의 초저잡음 애플리케이션에 활용되는 선형 레귤레이터

전자 업계에 새로운 제품 유형인 디지털 LDO(low dropout) 선형 레귤레이터가 등장했다. 이 제품은 매우 작은 면적에서 선형 전원 공급 장치의 원격 측정(telemetry)과 파라미터 조정 가능성(adjustability)을 제공한다. 이러한 솔루션은 RF 및 계측 분야의 초저잡음 애플리케이션에 활용된다.

■ 높은 입력 전압을 더 낮은 출력 전압으로 변환

선형 레귤레이터는 높은 입력 전압을 더 낮은 출력 전압으로 변환할 수 있는 간단한 전압 변환기이다. 이 제품은 동적 저항처럼 작동하며, 특정 전류 흐름에서 설정된 출력 전압을 일정하게 유지하기 위해 저항 값을 필요한 값으로 항상 정확하게 조정한다.

대부분의 애플리케이션에서 훨씬 더 높은 효율을 가진 다양하고 사용이 용이한 스위치 모드 전력 변환기를 쉽게 사용할 수 있게 됨에 따라, 선형 레귤레이터 활용은 점점 줄어드는 추세다.

하지만 선형 레귤레이터가 여전히 매우 중요하게 사용되고 있는 곳이 하나 있다. 바로 스위치 모드 전력 변환기가 생성한 전압을 필터링하는 데 사용되는 것이다. 그림 1은 그러한 사례를 보여준다.

스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 기술적인 특징으로 인해 전압 리플을 동반하는 출력 전압을 생성한다. 선형 레귤레이터는 일반적으로 우수한 전원 공급 잡음 제거비(power supply rejection ratio, PSRR)을 갖고 있다. 이는 어떤 소자가 다양한 주파수에서 전원 잡음에 의한 출력 전압 간섭을 얼마나 잘 줄일 수 있는지를 나타낸다.
 

그림 1과 같은 선형 레귤레이터의 애플리케이션을 위해, 특수한 유형의 선형 레귤레이터가 개발되었는데, 이를 초저잡음 선형 레귤레이터라고 한다. 이러한 선형 레귤레이터는 높은 PSRR 값을 제공할 뿐만 아니라, 특히 1Hz ~ 100kHz 사이의 저주파 대역에서 매우 낮은 노이즈를 발생시킨다.

이 같은 저잡음 전원 공급 장치의 일반적인 활용 사례에는 위상 고정 루프(PLL), 전압 제어 발진기(VCO), 믹서, 저잡음 증폭기(LNA), 전력 증폭기(PA)와 같은 고/저 대역폭 정밀 회로뿐만 아니라, 고정밀 계측 애플리케이션도 포함된다.

이들 중 일부 애플리케이션은 전원 공급 장치의 상태를 감지할 수 있는 것이 도움이 된다. 시스템은 회로의 정상 작동을 확인하기 위해, 선형 레귤레이터의 입력 전압, 출력 전압, 부하 전류, 온도 등의 정보를 활용할 수 있다. 이러한 애플리케이션을 위한 새로운 솔루션이 등장했는데, 바로 디지털 LDO가 그것이다.

디지털 LDO는 기존의 초저잡음 LDO와 유사하게 설계되었지만, PMBus®라는 디지털 인터페이스를 가지고 있는 것이 특징이다. 그림 2는 그림 1과 유사한 시스템을 보여주지만, 디지털 LDO인 LT3074와 함께 사용되는 것이 다르다.
 

디지털 LDO는 새로운 제품 범주에 속한다. 과거에는 LTC2972와 같은 디지털 인터페이스 장치를 LT3041과 같은 초저잡음 선형 레귤레이터와 조합하여 사용할 수 있었다.

하지만 이러한 방식은 회로의 공간을 더 많이 차지하고, 설계를 더욱 복잡하게 만든다. LT3074과 같은 새로운 디지털 LDO를 사용하면, 모든 기능이 하나의 IC로 통합된다.

이 집적 회로(IC)는 디지털 인터페이스를 갖춘 선형 레귤레이터이며, 전류 제한, 출력 전압 등의 LDO 파라미터 설정과 작동 상태 정보를 가져오기 위한 텔레메트리 기능을 포함하고 있다.

예를 들어, 이 시스템에서는 마이크로컨트롤러(MCU)가 그림 2와 같이 LDO와 통신을 한다. 그리고 LTpowerPlay®를 사용하여 평가를 수행할 수 있다. 이 소프트웨어는 analog.com에서 무료로 다운로드할 수 있다. 이 프로그램은 USB를 통해 PMBus 인터페이스로 디지털 LDO와 통신하는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 제공한다.

이러한 기술 즉, 디지털 연결과 초저잡음 LDO의 결합이 왜 과거에는 가능하지 않았는가라는 의문이 있을 수 있다. 이는 디지털 클럭 회로 부품들과 LDO의 초저잡음 기술을 결합할 때, 디지털 부분이 아날로그 부분에 간섭을 일으키지 않도록 하는 것이 어려웠기 때문이다. 하지만 이제는 1.2μV rms(10Hz∼100kHz)의 노이즈를 가진 LT3074를 통해 이러한 결합이 가능해졌다.

■ 높은 통합 수준으로 애플리케이션 소형화

선형 레귤레이터 분야의 새로운 발전은 최초의 디지털 LDO를 탄생시켰다. 이러한 디바이스들은 RF 분야, 계측 장비, 의료 애플리케이션에서 보다 발전된 시스템을 구축하는 데 도움이 될 것이다. 시스템은 통합 원격 측정 기능으로 인해 더 견고해지고, 파라미터 조정 가능성으로 인해 더 많은 기능을 제공하며, 높은 통합 수준으로 인해 더욱 작아질 것이다.
 

※ 저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전력 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전력 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원장치(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전력 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.