글쓴이 : SOONDORI
AC24V를 쓰는 산업용 제어계에서는 GND 라인이 공유되기 때문에 단파 정류 회로를 쓰는 게 일반적이다. 그래서 물리적 리플이 많고… 사안에 따라서는, DC 전원을 얼마나 평탄하게 안정화할 것인지가 고민스러운 주제가 되어버린다.
아래는 TI社가 제시하는 최대치 리플 억제 방법론.
1) “피드백 라인의 중간에 C_adj.로 표현된 커패시터를 붙여라!”
(▲ PSRR(Power Supply Ripple Rejection) 즉, 리플 감쇄비(dB)는, 18uF일 때 80dB를 초과하고 10uF 기준으로는 100hz 부근에서 최대가 된다. 참고로 전파 정류 직후 & 평활 커패시터를 달기 직전의 리플 주파수는 60hz의 두 배인 120hz임. 반파 정류는 60hz. 출처 및 글 열람 : http://www.acoustica.org.uk/t/3pin_reg_notes1.html)
TI가 구체적인 기재를 언급하지 않았으니 그냥… Out 핀 잔류 리플에 종속될 C_adj. 핀 전위가 출렁거리는 것을 막아보겠다는 의도 정도로 치부하고…
2) C1 : 높은 주파수 잡음의 유입 차단용. TI는, “원시 전원부와의 거리가 멀다면”이라는 막연한 말을 적어 놓았다 → 150mm 이내 거리라면 없어도 된다는 의견이 있음. (내용 추가, 데이터시트에 6인치 이격 시라고 명확하게 적혀 있다) 그런데, 예를 들어 입력 쪽에 SMPS 어댑터 비슷한 것과의 연결고리가 있다거나 모종의 AC 라인 잡음의 유입이 우려된다면, 달아주는 게 좋을 것. DIY 세상에서는 Pass일지라도 산업용은, 보수적 관점에서 뭐든 다 때려 박기를 해야…
3) D2 : 응급 상황에서의 C2 방전용. 귀찮으면 Pass.
4) C3 : 부하 쪽에서 오는 잡음 차단용. 귀찮으면 Pass.
이상에서,
<TI 공식>으로 계산한 저항 몇 개를 붙여야 하는 심리적 부담이 있지만… LM317이, 이것저것 따지지 않고 아무렇게나 써도 되는 칼라시니코프 AK-47이나 명품 2SD1815, 명품 NE555 IC, 명품 LM7805 레귤레이터 시리즈(Ripple Rejection=66dB@120hz/28V~38V)와 엇비슷한 부류의 명품 IC가 아닐까 하는 생각이다.
* 관련 글 : 늙은 텍트로닉스와 늙은 LM317
실제 동작은 어떠할까? 뚝딱 테스트 회로를 만들어 보았다. 먼저, <TI 공식>이 제시한 전압 대 저항의 계산은…
출력 전압 = V_ref(=1.25V) × (1+ R2 / R1) + I_adj × R2이고
uA 단위 I_adj를 무시하면 그냥, 1.25V x (1+ 2200오움 / 240오움) ≒ 12.7V.
영~ 귀찮고 불편하면 인터넷에 널려있는 WEB TOOL을 쓰면 된다.
https://circuitdigest.com/calculators/lm317-resistor-voltage-calculator
그리하여, 부품 통의 일반 저항 120오움 + 120오움, 2.2K오움, 1K오움으로 이렇게 저렇게 꾸미고 확인해 보면…
1) 1000uF 평활 커패시터 없이, 맥류를 그대로 전달한 경우 → 반파의 위쪽이 싹둑 잘린다. 역시 IC가 뭔가 하고 있는 것.
2) 평활 커패시터를 붙인 후 → 잔진동이 미세해서 눈으로 직접 볼 수는 없지만, 디지털 오실로스코프의 계산기는 약 470mV쯤이라고 한다. 가끔은 300mV대로 떨어지기도 하고.
3) 이번에는 LM317 입력 핀을 잠시 Cut하고, 오로지 다이오드와 평활 커패시터만 붙는 상황을 만들어 보았다 → 오실로스코프는 937mV라고 함. 가끔은 600mV대를 보여주기도 하고.
여기까지에서, (무무하 상태로 있는) 반파 정류 회로의 900mV대 리플이 IC를 붙이자마자 절반 수준으로 떨어졌음을 알 수 있다. 이분의 일이라… 일단, 그러려니 하고 넘어감.
4) 산삼처럼 좋다는 이 레귤레이터를 2단으로 붙이면? 바닷가 제철 쭈꾸미가 벌떡 일어설 정도의 효험이 있을까? LED로 부하를 주고 구간별로 관찰하였는데…
상상한 것처럼 아무렇게나 2단 기어가 들어간다.
첫 번째 LM317 입력 핀 즉, 평활 커패시터 끝 접속부에서, 375mV~400mV대 오락가락 → 두 번째 LM376 입력 핀에서 25mV → 출력 핀에서 12.5mV. 여기서, 절대값은 큰 의미 없음. 점차 작아진다는 게 중요하다.
효과가 있으니 세번 째, 네번 째… 무한히 IC를 붙이면?
과유불급. 당연히 그럴 수는 없다. 중첩에 의해 리플이 작아질수록 IC의 포화된 능력에 기대는 무용의 것이 되어버리고, 무엇보다 전원 공급 회로의 시스템적 반응성이 크게 떨어질 것이니까. 그냥 단파 정류 조건으로 2단까지만 쓰거나 아니면 더 좋은 다른 대안(*)을 찾거나.
이상 탐구 끝.
* TI 데이터시트 9.3.4. Tracking Pre-Regulator 회로는, 너무 과한 전압 낙차도 완충하고 리플도 줄여준다.
○ (내용 추가) 참고로 단파 정류 & LM317 중첩 구조를 취한 아래 보드의 V_pp는, 관찰해보니 8~10mV@3.3V. 더 좋아질 수 있는지 아닌지는 잘 모름. 거의 한계점이지 않을까?
(내용 추가) 단파 정류, 1000uF 평활 커패시터, LM317 1차, LM317 2차 그리고 10여 mA를 흘리고 있는 LED 등을 종합하면… 마음 내키는 대로 Load Regulation 0.3% Typical에 근접한 것으로 본다. 전파 정류를 했다면 LM317 1차만으로도 어떤 값이 나왔을지도 모를 일.
참고로, <라인 레귤레이션>은 IC 입력 이전의 전원 공급라인 방향을 바라보고 IC가 급격한 입력 변동에 대응하며 얼마나 전원 출력을 잘 통제하는지를, 로드 레귤레이션은 IC 출력 쪽을 바라보고 같은 방식으로 평가하는 것. 그래서 전자는 V 당 몇 프로인 %/V로 표현하고 후자는 그냥 %. 조건은 전류 10mA 이상일 때.
아? 그리고… TI 이 양반들은, 다른 버전의 데이터시트에 “The device features a typical line regulation of 0.01% and typical load regulation of 0.1%.”라는 문구를 적어 놓고는 사람을 헷갈리게 만든다. “머여? 0.1이여? 0.3이여?” 많은 돈을 벌게 해 준, 꿀 발린 IC인데 좀 무심하다 싶다. 그래서 심하게 배가 부른 것으로 간주.
○ 다음은, 그래도 되는 조건에서 돌아가는 산업용 장치의 스위칭 전원부. 단파 정류와 MC34063 스위칭 IC를 조합하였고 5V를 출력한다. 관측 V_pp는 100mV대. 프로브를 잘못 찍었는지는 모르겠으나… 아무튼 그래서, V_pp는 그냥 그러려니 해도, 확연히 보이는 잔류 스위칭 노이즈 만큼은 질색이다. 마치 똥 싸고 그냥 나온 것 같은 느낌?
* 관련 글 : 오디오 DAC과 산업용 DAC의 아날로그 DC 전원
