글쓴이 : SOONDORI
DIY 전원 공급 회로를 꾸미는데 있어서, 전통적인 리니어 방식 IC가 좋을까? 아니면 대세로 자리 잡은 스위칭 방식 IC가 좋을까?
리니어 타입 LM317과 스위칭 타입 LM2576 IC를 놓고, 몇 가지 평가 변수를 생각해 보면…
■ Regulator와 LDO
LDO는 ‘Low Dropout’의 줄임말. ‘입력과 출력의 전위차’가 아주 작은 레귤레이터를 통칭한다. 1V쯤? 혹은 더?
넓게 보면 LDO나, 반드시 ‘레귤레이터’라고 부르는 LM7805나, 모두가 ‘레귤레이터’ 또는 ‘정전압 IC’ 범주에 속함. 실제로 TI社는 빈티지급 LM317에 대해서, LDO라는 말과 Adjustable Linear Voltage Regulator’를 섞어서 쓰고 있다.
■ 입/출력 전위차, Dropout
(예) LM317은 반드시 입력전압이 출력전압보다 3V 높아야 한다. 입력전압의 입장에서 보면, 그만큼 출력전압이 떨어지는 셈이니까… 강하 ‘Drop’에 출력 ‘Out’을 붙여서 DropOut이라고 함.
그 낙차 전압이 작을수록 당연히 소자 발열도 적다.
■ 공급 전압 변동률, Line Regulation
TI社가 깨알같이 작은 주석으로 아래와 같이 정의하였다. 아래 표에서, 소자 온도(T_j)와 무관하게 전 범위에서 표준 0.02%/V
TI Line Regulation (%/V) = (출력 전압 변동 ÷ (1 – 1V 미만의 입력 전압 변동)) × 100
■ 부하 조정 성능, Load Regulation
출력라인에 물린 부하(Load)의 속성에 레귤레이터가 어떻게 대응하는지를 제시하는 항목. 전류 소모에 종속적일 것은 뻔하고, 부하로 코일이 붙고 역기전력도 발생할 수도 있고…
소자 온도와 무관하게 전 범위에서, C_adJ 없이, 10mA~1.5A MAX를 흘리는 조건에서, 1) 출력 전압 5V 이하에서 표준 20mV, 2) 5V 이상에서는 출력 전압 대비 표준 0.3% 수준이라고 한다.
게다가 다음과 같이 회로를 수정하면, MAX. 25mV로 제한할 수 있다고 한다. 기준점이 흔들리지 않으니 충분히 그럴 법함. 붙이고 안 붙이고의 차이는, 120hz 리플(=전파 정류 직후 맥류로서의 상태)을 기준으로 64dB 대 57dB.
TI社의 능력을 의심하지 않는다면, 근 50년 동안 쓰이고 있는 LM317의 놀라운 능력을 의심하지 않는다면, 어떤 조건에서든 20mV가 정전압 통제의 최저점이라고 기억해 두고…
* 관련 글 : 늙은 텍트로닉스와 늙은 LM317
■ PSRR; Power Supply Rejection Ratio
전원전압 변동 제거비라고 한다. 이 항목은 본래 레귤레이터 IC 고유의 평가 속성은 아님. 관련이 있다는 정도의… 현실 세상에서 공급전압은 무조건 변동하게 되어 있는데. 그런 거부할 수 없는 변동에 대하여 어떤 회로가 전혀 영향을 받지 않고 동작하는 조건 또는 상태 또는 그럴 수 있는 정도를 수치로 표현한 것. 여기서, ‘어떤 회로’는, CMRR이 언급되는 OP.AMP가 가장 적합하다.
* 관련 글 : OP.AMP의 CMRR
다음은 TI가 제공하는 LM317의 PSRR.
(▲ Load Regulation의 1%, 1.5%는 최악의 조건을 상정한 것)
왜 레귤레이터 IC에서 PSRR을 언급했을까?
LM317도 상위 회로의 영향을 받으니까. TI 애플리케이션 노트 <SLAA414A–July2009–Revised, August 2017>에 따르면… 120hz 맥류 상태의 리플을 상정하고 <입력 핀 대 출력 핀의 전압 비율>을 dB로 환산한 것이다. 값이 클수록 LM317에 의해서 리풀이 제거될 가능성은 커진다. (배경의 기재는, 미세한 입력 리플도 결국 입력전압의 변동과 다름없는 것이고 그 변동분이 LM317에 의해 재빨리 조정되는 것)
그냥 ‘LM317에 의해서 리플이 감소되는 비율’ 정도로 쓰면 되겠다. 일종의 반도체식 평활 커패시터와 같은 효과라… 수식 그대로, 오디오의 S/N처럼, 당연히 클수록 좋음.
여기까지 정리해 두고…
스위칭 방식 IC, LM2576의 표준 회로도와 데이터시트를 일람하면,
1) 출력 고정식 LM2576의 DC-DC 변환 효율은, 3.3V 형이 가장 낮고 12V/15V형이 가장 높다. 각각은 75%, 88%.
2) Dropout은 1V으로 3V인 LM317에 비해 확실히 낮음.
3) Line Regulation은… 예를 들어, 3.3V 출력 타입이고 입력 18V이며 500mA가 흐를 때 0.3% 정도라고 한다. 출력의 0.3%이면, 0.0099V. 즉, 1mV 정도.
다 좋은데… %이므로 LM317의 %/V와 다르다. 나머지 항목도 그런식. LM317에 비해 제시 정보가 미흡하고 1:1 비교도 어려워서 그냥 넘어가기로 하고…
그러다가, 데이터시트에 나와 있는 아래 문구를 보고 즉시 자지러짐. 역시 스위칭 방식의 폐해가 그대로 노출되어 있다.
“… 톱니파로, 출력 전압의 1% 수준에서 리플이 생성됩니다… 필요하시면 LC 필터 하나 더 붙이세유~!”
물리적인 것이니까 어쩔 수 없겠지만… 예를 들어, 3.3V를 출력할 때 0.033V의 흔들리는 전압, 그것도 스스로 생성한 펄스성 노이즈가 나온다는 뜻이다.
SMPS 방식의 강점이나 태생적 한계를 생각하면 어떻게든 이해해야 하겠지만, 어쨌든 좀 거지같은 상황. TI의 말대로 인덕터와 커패시터의 무리를 더 붙이고 -7dB 노이즈 억제 효과를 노린다고 해도… 역시 불만족은 마찬가지.
* 관련 글 : 어찌 해도 지저분한 스위칭 전원
이제 원점으로 돌아가서 정리해 보면,
1) 구닥다리 명품 LM317 + 안정화를 위한 몇 가지 대책
대뜸 조용하고 아름다운 평원 위에서 멋진 식사를 하는 장면이 연상된다. 그렇게 보면, 노이즈에 취약한 아날로그 회로에 적합.
(출처 : https://stock.adobe.com/au/images/happy-female-friends-having-lunch-outdoors-in-beautiful-scenery-tuscany-italy/206158821)
2) LM2576 + 코일 + LC 추가 및 기타
사막의 거대 모래 폭풍 속에서 급하게 라면 끓여먹는 장면이 연상된다. 어떻게든 먹기야 먹겠지만, 그게… 노이즈가 있어도 무리 없이 동작하는 디지털 회로나 어차피 전원 환경이 엉망인 곳에나 적합하다는 생각.
이러한 연상의 구도에서,
SMPS 어댑터가 리니어 어댑터보다 좋다는 신념의 문구를 보거나 SMPS 전원부가 기기 내부의 절반 이상을 차지하는 고가의 앰프를 보면, 혀를 끌끌차게 된다. 옥상옥 구조를 기술적 탁월함으로 치환하려는, 결국은 소비자를 기만하려는 포장 전술이기도 한 그런 것은…
빈지지 오디오에서, 가정집 오디오에서 에너지 전달 효율의 제고, 절전 증대, 지구 온난화 해소는 따라갈 키워드가 아니다. 그 오디오는 2KW 난방기나 365일 돌아가는 냉장고가 아님. 차라리 대형 TV를 덜 켜고 일회 용품, 플라스틱을 덜 쓰는 게 맞음. (표제부 사진 출처 : https://www.science.org/content/article/static-electricity-strengthens-desert-dust-storms)
