초보자를 위한 전자회로 체크 리스트(Ⅰ)-아날로그&전원 회로 체크리스트

 

[전자기술] [기술특집] 초보자를 위한 전자회로 체크 리스트(Ⅰ)-아날로그&전원 회로 체크리스... | 2013년 09월

여기서 가장 귀찮은 트러블이 발생한다!
아날로그 & 전원회로 체크리스트

전원에 디커플링 콘덴서가 들어 있는가?

OP 앰프의 응용 예로서 마이컴의 A-D 컨버터 입력부의 센서 신호 증폭 회로, D-A 컨버터 출력부의 출력 구동 회로를 상정하고(그림 1) OP 앰프 회로의 체크포인트를 추출했다.



OP 앰프는 전원에 노이즈가 실리면 그 노이즈까지 증폭되어 출력된다. 이것이 발진의 원인이 된다. 마이컴 등의 로직 IC는 고속 클록에서 동작하므로 이 클록에 동기하는 노이즈가 전원 라인을 통해 OP 앰프에 전달되어 버리는 것이다.
때문에 OP 앰프의 전원 라인에 노이즈 제거용 디커플링 콘덴서를 삽입한다. 그림 2와 같이 단전원 OP 앰프에서는 전원-GND 사이에, 양전원 OP 앰프에서는 V^＋, V^－ 전원과 GND 사이에 각각 삽입한다. 용량은 0.1㎌ 정도가 일반적이다.



기판 레이아웃에서는 디커플링 콘덴서를 OP 앰프의 전원단자 가까이에 설치하는 것이 효과적이다. 그림 3(a) 회로도의 배선 패턴 예를 그림 3(b)에 나타낸다. 전원 V^＋의 8번 핀 바로 근처에 디커플링 콘덴서가 배치되어 있다.



시판되고 있는 OP 앰프에는 1회로들이, 2회로들이, 4회로들이 제품이 있다. 이러한 OP 앰프 내부에는 전원이 1계통밖에 없다. 만약 2회로들이 OP 앰프에서 회로 A가 센서에서 보내는 직류 5mV의 신호를 500mV로 증폭, 회로 B는 5V_P-P, 100kHz의 사인파를 입출력하고 있다고 하면, 디커플링 콘덴서를 IC 바로 옆에 두었다고 해도 회로 B가 회로 A에 미치는 영향을 완전히 제거할 수는 없다.
이와 같은 경우, 별도의 IC에 들어 있는 OP 앰프를 사용할 수밖에 없다. 또한, 각각의 IC 전원 단자에 디커플링 콘덴서를 접속해 둔다. 

아날로그 GND는 디지털 GND와 분리되었으며, 1점 어스로 되어 있는가?

디지털 IC의 클록에 동기하는 노이즈는 GND 라인에서도 전달된다. 이로 인해 OP 앰프 주변 아날로그 회로 클록의 GND와 마이컴 등의 디지털 회로 클록의 GND 라인을 분리하는 것이 일반적이다. 
또한, 기판 레이아웃에서는 베타그라운드 영역을 넓게 하여 노이즈의 영향을 잘 받지 않는다. 그래서 그림 4와 같이 기판 GND 단자로의 접속은 1군데가 되는 1점 어스로 한다. 이렇게 노이즈의 영향을 잘 받지 않도록 함으로써 아날로그 회로의 안정성을 높일 수 있다.



1. 실제 부품 배치에 가까운 회로도를 만들어 둔다
메이커에 따라서는 프린트 기판 설계를 전문가가 담당한다. 따라서 회로 설계자는 패턴 레이아웃을 의식한 회로도를 그려야 한다는 점을 명심해야 한다.
아날로그와 디지털을 나누는 것은 당연한 일이며 각각의 클록도 기능별로 나누도록 한다. 우선은 기판 위의 부품 레이아웃을 고정한다. 레이아웃을 최적화함으로써 나중에 설명하는 ‘배선 용량은 고려했는가?’ 부분의 배선 용량도 줄일 수 있다.
그림 3(a)와 같이 IC의 전원과 그라운드도 실체 배선을 의식한다. 배선을 짧게 하고자 할 경우에는 회로도에서도 짧게 하고 부품과 부품의 간격도 좁게 해 둔다. 뒤에 나오는 ‘사용하지 않는 OP 앰프의 빈 단자는 처리되어 있는가?’ 부분의 빈 단자 처리도 회로도에 기재하면 트러블을 줄일 수 있다.

GND 레벨 신호 입력이 가능한 OP 앰프를 선정했는가?

일반적인 OP 앰프에는 양전원용 OP 앰프인 4558 타입과 단전원용 OP 앰프인 358 타입이 있다. 전원전압 최대한까지는 모두 신호를 입출력할 수 없다. 입출력 전압 범위는 OP 앰프에 따라 다르다.
양전원용 OP 앰프는 V^＋, V^－ 단자에서 약 1V가 신호를 입출력할 수 없는 영역이다[그림 5(a)]. 따라서 양전원용 OP 앰프를 단전원으로 사용하면 GND 레벨에 가까운 신호의 입출력은 불가능하다(그림 6).





단전원용 OP 앰프는 단전원에서 사용했을 때 GND 레벨에 가까운 신호의 입출력이 가능하다는 특성을 갖고 있다[그림 5(b)]. 하지만 V^＋ 측에서 신호를 입출력할 수 없는 영역이 약 1.2V로, 양전원용 OP 앰프의 약 1V보다 넓어져 버렸다.
이와 같이 양전원용 OP 앰프, 단전원용 OP 앰프는 입출력할 수 있는 신호 전압 범위가 다르다. 센서의 전원이 양전원이면 양전원용 OP 앰프를 사용해도 좋을 것이다. 그러나 최근 대부분의 사람들이 만드는 장치의 전원은 일반적으로 단전원일 것이다. 센서 출력 신호도 GND 기준 신호를 다루는 것이라면 단전원용 OP 앰프를 선택하는 것이 일반적이다.
대표적인 단전원용 OP 앰프 제품에는 2회로들이 μPC358 혹은 4회로들이 μPC324 등이 있다. 어떤 것이든 사용하는 센서에서 오는 신호 전압을 확실하게 입력할 수 있는 OP 앰프를 선택하는 것이 중요하다.

OP 앰프의 출력 전압 범위는 A-D 컨버터의 입력 전압 범위와 맞는가?

앞에 나온 ‘GND 레벨 신호 입력이 가능한 OP 앰프를 선정했는가?’ 부분과 같이 단전원용 OP 앰프는 GND에 가까운 전압 레벨의 신호를 출력할 수 있지만 전원전압 최대한까지 신호를 출력할 수는 없다.
마이컴 안에 있는 CPU의 동작 전압 V_DD와 A-D 컨버터의 레퍼런스 전압 V_ref, 그리고 OP 앰프 출력 전압의 관계를 체크해 둘 필요가 있다.
GND 레벨의 센서 신호 증폭에 사용되는 비반전 증폭 회로에서 구체적인 예를 살펴보자. 그림 7(a)에서 V_CC, V_DD는 5V이며 V_ref가 3V인 경우이다. 이 경우, A-D 컨버터에 입력할 수 있는 전압 범위는 0~3V이다. 단전원용 358 타입의 OP 앰프 출력 전압 범위는 0~4V이므로 A-D 컨버터의 입력 전압 범위 최대한까지 A-D 컨버터에 신호를 입력할 수 있다.



그림 7(b)의 경우 회로 구성은 같지만 V_CC, V_DD, V_ref가 3V인 경우이다. 이 경우, 단전원용 358 타입의 OP 앰프에서는 출력 전압 범위가 0~2V로 되어 버려 A-D 컨버터의 입력 전압 범위인 0~3V까지의 신호를 출력할 수 없다.
A-D 컨버터의 입력 전압 범위를 충분히 이용하려면 그림 8과 같이 전원전압까지 출력할 수 있는 레일 투 레일 출력 OP 앰프를 사용해야 한다. 대표적인 제품으로는 HA1630D01 ~03 시리즈 등을 들 수 있다. 단, 특성이 좋은 만큼 가격이 높다.



1. 동작 전압 V_DD와 동일한 높이의 V_ref를 설정할 수 없는 마이컴도 있다
마이컴의 동작 전압 V_DD와 마이컴 내장 A-D 컨버터의 레퍼런스 전압 V_ref의 관계도 확인해 두자. 마이컴은 일반적으로 CMOS 프로세스가 사용되고 있다. 마이컴 내장 A-D 컨버터는 CMOS 프로세스를 사용한 아날로그 회로이다. 그러므로 마이컴에 따라서는 V_DD와 동일한 전압의 V_ref를 설정할 수 없는 제품도 있다. OP 앰프 측뿐만 아니라 마이컴 측의 입력 전압 범위도 체크해야 한다. 이상과 같이 센서의 신호 레벨, OP 앰프의 전원전압 V_CC, 마이컴의 전원전압 V_DD, A-D 컨버터의 레퍼런스 전압 V_ref 및 장치에서 필요한 정밀도를 대조하여 최적의 OP 앰프를 선정해야 한다. 

많이 사용하는 단전원 OP 앰프 358은 출력 단자에 유입 전류가 있을 경우 0V를 출력할 수 없다

그림 7의 비반전 증폭 회로에서 센서로부터의 신호는 1＋(R₂/R₁)배로 증폭되어 마이컴의 A-D 컨버터에 입력된다. 이 때, OP 앰프 출력에서 부하는 어떻게 보일까.
출력에 접속되어 있는 것은 R₁과 R₂, 그리고 A-D 컨버터의 입력 단자이다. A-D 컨버터 입력 단자의 임피던스는 매우 높으므로 부하로서는 무시할 수 있는 수준이다. 따라서 OP 앰프 출력에서 본 부하는 R₁＋R₂라는 저항이다. 그리고 R₁＋R₂는 GND에 접속되어 있으므로 OP 앰프 출력에서 흘러나오는 방향의 전류만으로 이루어진다. 때문에 출력은 GND 레벨까지 출력할 수 있다.
단전원용 OP 앰프 358 타입의 등가 회로의 구성은 그림 9 (a)와 같다. 출력단에 주목하여 동작을 살펴보자.



출력 전류가 흘러나올 경우, 그림 9(b)와 같이 출력 트랜지스터 Q₅, Q₆의 이미터 폴로어 구동으로 출력이 GND 레벨까지 내려간다. 그러나 출력에 유입되는 전류가 50㎂ 이상 있을 경우, 그림 9(c)와 같이 Q₁₃의 베이스-이미터 전압에 상당하는 약 0.6V가 발생하고 출력은 GND 레벨까지 떨어지게 된다.
출력 유입 전류가 50㎂ 이하인 경우, 다른 동작으로 된다. 출력 유입 전류는 Q₁₃의 이미터가 아니라 회로도상 50㎂의 정전류원에 유입된다. 따라서 Q₁₃은 OFF 상태로 되며 베이스-이미터 전압에 상당하는 약 0.6V가 발생하지 않고 출력은 0.6V 이하까지 떨어진다. 하지만 그림 9(d)와 같이 0V까지 떨어지지는 않는다.
레일 투 레일 OP 앰프는 CMOS 타입이 주류를 이루며 회로 구성도 다르지만, 출력에 유입되는 전류가 증가하면 출력 전압이 GND 레벨까지 떨어지지 않게 되는 현상은 동일하다. 때문에 그림 7의 비반전 증폭 회로와 같이 OP 앰프 출력에서 본 부하는 GND에 대해 접속되는 회로 구성으로 해야 한다.

입력 오프셋 전압에 의한 오차를 고려했나?

OP 앰프에서는 센서 신호와 함께 오프셋 전압도 동일한 배율로 증폭된다. 입력 오프셋 전압이 최대 5mV라는 특성을 가진 OP 앰프를 사용하여 게인 100배의 증폭 회로를 구성하면 출력에는 최악의 경우 0.5V의 오차가 발생한다는 의미이다.
주의해야 할 것은 데이터시트에 기재되어 있는 입력 오프셋 전압의 최대값은 절대값으로 기재되어 있다는 점이다. 즉, ‘max.5mV’라는 규격은 －5mV~＋5mV, 편차의 폭으로는 10mV라는 의미가 된다. 또한 이 규격은 일반적으로 상온에서의 규격을 말하며, 입력 오프셋 전압은 온도 특성을 갖고 있다. 정밀도가 요구되는 경우에는 이 온도 특성도 고려해야 한다.
따라서 다루는 센서의 신호 크기와 장치에 요구되는 정밀도를 고려하여 최적의 증폭률을 결정한다. 이 조건에서 입력 오프셋 전압의 편차가 어느 정도까지 허용되는가에 따라 OP 앰프를 선택한다. 범용 OP 앰프를 그대로 사용할 수도 있고, 그림 10과 같이 가변 저항을 이용한 오프셋 조정 회로를 추가하거나 혹은 고정밀 OP 앰프를 선택하여 비용까지 고려함으로써 최적으로 설계를 하는 것이 설계자가 진정한 실력을 발휘할 수 있는 부분이다.



센서 신호의 속도는 스루레이트 이하로 되었나?

OP 앰프의 AC 특성은 무한대가 아니며 어느 정도까지의 주파수밖에 처리할 수 없다. 일반적으로 스루레이트(단위는 V/㎲)로 규정되어 있으며 데이터시트 그래프에는 그림 11의 출력 응답 특성으로 기재되어 있다. 이 그래프의 기울기 이상 되는 속도에서는 OP 앰프의 출력을 따라잡을 수 없다는 의미이다.



구체적인 예를 살펴보자. 전압 폴로어 회로에서 입력 정현파의 주파수를 높였을 때의 출력 파형을 그림 12에 나타낸다. 정현파의 GND 부근 기울기가 스루레이트보다 높은 주파수로 되면 출력은 스루레이트의 기울기까지밖에 따라잡지 못하므로, 정현파 출력이 되어야 할 것이 삼각파로 되어 버리는 것이다.



정현파의 GND 부근 기울기는 주파수와 진폭에서 산출할 수 있으므로 그것과 스루레이트를 비교하여 문제없다는 것을 체크할 수 있지만, 데이터시트에 기재되어 있는 그림 13의 V_OM-f(최대 출력 전압-주파수) 특성의 그래프에서도 체크할 수 있다. 이 그래프 안쪽이라면 괜찮은 것이며 바깥쪽은 문제가 있는 것이다.



스루레이트가 부족하다면 더 고속의 OP 앰프를 선택해야 한다. 또한, OP 앰프의 AC 특성은 편차가 있으므로 충분히 여유를 가진 값을 선택한다.

배선 용량은 고려되었나?

OP 앰프의 출력에 용량성 부하가 접속되면 위상 여유가 없어져 발진한다. 때문에 출력에 콘덴서가 접속되는 등의 경우에는 발진에 주의해야 한다.
용량성 부하에서 주의가 필요한 것은 프린트 기판의 배선 용량이다. 그림 14와 같이 OP 앰프의 출력 부분 배선 패턴이 길면 이 배선의 용량 성분이 출력에 접속되어 발진의 원인이 된다. 그림 14와 같은 경우라면 IC₁과 IC₂를 바꿔 접속함으로써 OP 앰프의 출력 배선 길이를 최대한 줄이는 등의 대책이 필요하다.



소비전력에 의한 발열은 고려되었나?

마이컴의 D－A 컨버터 출력 신호를 증폭하여 OP 앰프를 거쳐 부하를 구동할 때에는 출력 전류의 크기에도 주의해야 한다. 모터, 스피커, LED 등을 구동할 때에는 소비전력에 의한 발열도 체크해야 한다.
소비전력 산출 방법은, 그림 15와 같이 회로 전류분과 출력 전류분에 의한 소비전류를 합산한다.



· 출력 전류가 유출된 경우 : P_T=I_CCV_CC＋I_O＋×(V_CC－V_out)
· 출력 전류가 유입된 경우 : P_T=I_CCV_CC＋I_O－×V_out
또한, 소비전력의 정격은 일반적으로 상온에서 규정되어 있다. 주위온도가 높을 경우에는 정격값보다 낮게 억제해야 한다. 산출한 소비전력과 주위온도를 토대로 데이터시트에 기재된 P_T-T_A(전체 손실-동작 주위온도) 특성 그래프(그림 16)에서 체크한다.



그래프 안쪽이라면 괜찮지만 바깥쪽이라면 문제가 있는 것이다. OP 앰프의 정션 온도가 정격을 넘어 버렸으므로 출력에 버퍼용 트랜지스터를 추가하거나(그림 17) 방열 설계를 할 필요가 있다.



또한, OP 앰프의 데이터시트에는 정션 온도 규정이 없다. 일반적으로는 보존 온도의 최대 정격과 동일하다. 계산식은 다음과 같으므로 여유가 있다면 그림 16과 대조하여 확인해 두자.
T_j=T_A＋R_th(j－a)×P_T
여기서 T_j는 정션 온도[℃], T_A는 동작 주위온도[℃], R_th(j－a)는 패키지 열저항[℃/W], P_T는 전체 손실[W]이다.

사용하지 않는 OP 앰프의 빈 단자는 처리했나?

빈 단자 처리의 경우 간과하기 쉽다. 2회로들이 OP 앰프의 1회로만 사용하거나 혹은 4회로들이 OP 앰프의 3회로만 사용하는 경우 많이 볼 수 있다.
일반적으로 OP 앰프의 입력 단자는 내부 회로의 트랜지스터 베이스 단자가 그대로 접속되어 있다. 이로 인해 입력 단자를 빈 단자 상태로 두면 OP 앰프의 내부 회로 상태가 불안정해질 가능성이 있다.
빈 단자 처리는 그림 18과 같은 회로를 구성하고 입력은 GND로 떨어뜨린다. 이렇게 하면 전압 폴로어 회로에 있어서 입력이 0V에서 동작하고 있는 것과 같은 상태가 된다.



입력 신호 레벨은 전원전압 이하, GND 이상으로 되어 있나?

과도 상태에서는 전원보다 먼저 센서 신호가 입력되거나 전원 차단 시 센서 신호만 남을 가능성이 있다. 이 경우, OP 앰프의 전원 단자보다 높은 전압이 입력 단자에 인가된다.
데이터시트의 등가 회로에는 기재되어 있지 않지만, 그림 19에 나타난 기생 용량 다이오드가 입출력 단자와 전원, GND 사이에 존재한다. 



입출력 신호가 전원전압 범위 내라면 기생 다이오드에 가하는 전압은 역방향이 되므로 영향을 받지 않는다. 그러나 입력 단자 전압이 V^＋보다 높아지면 기생 다이오드를 통해 전류가 흐르게 된다. 이로 인해 오동작을 일으켜 파괴에 이를 수 있다. 기생 다이오드에 전류가 흐르는 상태가 발생할 가능성이 있을 경우에는 그림 20과 같이 V_F가 작은 쇼트키 배리어 다이오드 등으로 OP 앰프를 보호해야 한다.



유도 부하에 의해 출력 단자가 전원전압 이상, GNG 이하로 흔들리지 않는가?

앞에 나온 ‘입력 신호 레벨은 전원전압 이하, GND 이상으로 되어 있나?’ 부분과 같은 내용이다. 출력인 경우, 전원 투입/차단 타이밍 외에 유도 부하(전압에 대해 전류의 위상이 뒤떨어진다) 구동에 주의가 필요하다.
유도 부하를 구동하고 있는 회로에서는 출력 OFF 시 역기전력에 의한 노이즈가 발생하여 출력 단자가 V^＋ 이상, 혹은 GND 이하로 흔들리는 경우가 있다. 이 때 기생 다이오드가 도통하여 오동작 혹은 파괴를 일으킬 수 있다. ‘입력 신호 레벨은 전원전압 이하, GND 이상으로 되어 있나?’ 부분과 마찬가지로 외장 쇼트키 배리어 다이오드에 의한 보호가 유효한 대책이다. 그림 20은 그 예를 나타낸 것이다.
모든 입출력 단자와 V_CC, GND 사이에 쇼트키 배리어 다이오드를 넣으면 보다 안전하다. 하지만 쇼트키 배리어 다이오드는 고가이며 부품 수도 늘어나게 된다. 따라서 입출력 신호 파형을 확인하여 이상 상태가 발생했을 경우 그 부분에 추가하는 것이 일반적이다. 이상이 발생하지 않았다면 쇼트키 배리어 다이오드를 추가할 필요가 없다.
이 글을 토대로 자신만의 체크리스트를 작성하기 바란다. 회로 설계 시 실패는 당연히 있을 수 있는 일이다. 중요한 점은, 실패했을 때의 원인을 규명하고 다음 설계에서 그 경험을 살리는 것이다. 그렇게 아날로그 회로 설계 노하우가 쌓이면 자신에게 중요한 자산이 될 것이다. <>

다리 3개만 있으면 누구나 만들 수 있는 전원 IC ‘3단자 레귤레이터’

5V 전원에서 3.3V나 1.8V를 만들 경우 3단자 레귤레이터를 사용하면 안정적인 전원을 간단하게 구성할 수 있다. 3단자 레귤레이터에는 출력 전압이 고정된 제품이나 출력 전압을 저항값에 따라 바꿀 수 있는 제품이 있다.
표 A는 주요 3단자 레귤레이터와 그 최대 출력 전류를, 그림 A는 고정 전압 제품과 가변 전압 제품의 표준적인 회로를 나타낸 것이다. 표준적인 7800, 7900 시리즈나 LM317 등은 세컨드 소스가 풍부하여 부품을 구하는 데 대해 불안을 느끼지 않아도 된다. 이들은, 실험 등을 위해 모은 여러 종류의 디바이스를 작동시키기 위해 어려 종류의 전원이 한 번에 필요한 경우 매우 편리한 존재이다.





3단자 레귤레이터의 동작은 그림 B와 같이 출력 전압 이상인 부분의 전압 전류를 레귤레이터 자체의 손실이라는 형태로 흡수하여 주위에 열로 방출함으로써 조정한다.



3단자 레귤레이터에서 큰 전류를 무리하게 끌어오지 않았나?

표 A와 같이 정격 최대 전류의 경우 7800 시리즈는 1A, 78M00 시리즈는 0.5A가 되었다. 정격이므로 이것을 넘어서는 안 된다. 다른 시리즈도 마찬가지이다.
제조사 입장에서 정격 한도값까지 보증하고는 있지만, 정격의 80%까지 사용하도록 한다. 제품으로서는 절대적으로 정격을 지켜야 한다.
출력 단자의 소비전류는 출력 단자에 1Ω 등의 저항을 넣고 거기서 발생하는 전압에서 판독한다. 단, 1Ω에 0.3A가 흐르면 0.3V의 전압 강하가 발생한다.

단자 배치는 레귤레이터마다 다르다

3단자 레귤레이터라고 하면 우선 7800 시리즈가 떠오른다. 단자 배치는 TO-220 패키지를 정면에서 봤을 때 왼쪽부터 IN, GND, OUT 순이다. 이것은 회로도 등에서 흔히 볼 수 있는 기호와 동일하므로 잘 기억하고 있을 것이다. 그러나 부전압 출력 제품이나 가변 전압 제품의 단자 배치는 이와 다르다. 
옛날 얘기이긴 하지만, 어느 날 마이너스 전원을 만들려고 7912를 접속하여 장치에 통전했더니 타는 냄새가 났다. 이상하다고 생각해 데이터시트를 확인했더니 단자 배치가 틀리게 되어 있었다.
그림 21과 같이 주요 3단자 레귤레이터 TO-220 패키지의 단자 배치만 봐도 시리즈별로 차이가 있다. 따라서 특별히 손으로 조작할 경우에는 패키지나 단자 배치를 잘 확인해야 한다.



패키지의 방열부가 금속인 경우, 방열부가 GND 외에 연결되어 있을 때도 있다. 이 경우, 직접 알루미늄 케이스에 방열부를 붙여 방열할 수 없고, 방열부에 직접 붙인 방열기를 GND로 떨어뜨릴 수 없으므로 이 점도 잊지 말고 체크해야 한다.

출력 전압과 입력 전압의 차이는 충분한가?

편리한 3단자 레귤레이터이지만 출력 측 전압보다 높은 입력 전압을 필요로 한다. 입력 전압에서 출력 전압을 뺀 값의 최저값을 드롭아웃이라고 한다. 3단자 레귤레이터의 입력 측 전압은 ‘출력 측 전압＋드롭아웃 전압’ 이상이 아닐 경우 원하는 전압을 낼 수 없다.
표준 7800 시리즈에서 드롭아웃은 약 2V이므로 다소 마진을 얹으며, 필요 최소한의 입력 전압은 ‘출력 전압＋2.5V’ 정도가 된다. 입력 측에 리플이 있는 경우, 리플의 바닥이 최저 전압 보다 낮으면 그림 22와 같이 출력 측에서 리플 바닥이 보이게 된다. 드롭아웃을 포함한 최저 입력 전압보다 낮은 마진밖에 취할 수 없을 경우에는 표준 7800 시리즈의 사용을 포기하고 드롭아웃이 작은 LDO(Low Drop Out) 제품을 찾는다.



1. 스파이크 전압이 가해졌을 때의 내압도 고려해 둔다
입력 전압의 상한도 정해져 있다. 이것은 정격이므로 당연하며 이것을 넘어서는 안 된다. 
입력 측에 전원을 투입하거나 차단할 때 과도적인 스파이크 전압이 발생할 경우, 그것이 정격을 넘어설 우려가 있다면 배리스터 등으로 스파이크 전압을 흡수하는 등 대책을 세울 필요가 있다.

입력 쇼트, 출력 부전압에 대한 보호 다이오드를 넣었는가?

3단자 레귤레이터의 입력 측 전압이 급격하게 내려간 경우, 출력 측 용량과의 관계에 따라 소자 입출력에 역바이어스가 걸리는 경우가 있다. 그럴 경우, 출력 측에서 입력 측으로 전류가 흘러 들어가 내부 소자를 파괴해 버리는 경우가 있다. 10㎌ 콘덴서 1개의 방전 순간 전류는 20A에 달한다는 설도 있으므로 작은 콘덴서라고 해도 이상한 얘기는 아니다.
부품 제조사의 문헌에 따르면 입력 쇼트 보호 다이오드는 ‘V_in ＜ V_out으로 될 경우 필요하다’라고 기술되어 있으므로 반드시 필요한 것은 아니다. 그러나 회로가 복잡해지면 전원을 투입하거나 차단할 때 예상 밖의 전류가 유입되는 일이 자주 발생하므로, 보호 다이오드를 넣어 두면 안심할 수 있게 된다.
보호 다이오드는 그림 23과 같이 넣는다. 필요한 것을 처음부터 내부에 넣어두었다면 좋았겠지만, 디바이스를 만드는 측에서는 나름의 이유가 있어 그렇게 하지 않았을지도 모른다.



출력 단자가 부전압에 흔들려 버리면 내부 소자가 파괴될 수 있다. 이것을 방지하기 위해 출력 단자에 그림 24와 같이 쇼트키 배리어 다이오드를 넣는다. 데이터시트에는 ‘V_out이 마이너스가 될 경우에 필요하다’고 기록되어 있으므로 반드시 필요한 것은 아닌 것 같다.



플러스, 마이너스 전압이 혼재하는 경우, 기판상 각각의 전원 상승, 하강 특성, 부하를 통한 전류 유입 등으로 출력 단자가 부전압에 흔들리는 상태를 생각할 수 있다. 이 경우, 그림 24와 같이 보호 다이오드를 넣는다.

1. 보호 다이오드는 전류와 전압을 고려하여 선택한다
보호 다이오드 선택 기준에 대해 설명한다. 데이터시트에는 기재되어 있지 않지만, 있더라도 입력 쇼트 보호용은 일반 실리콘 다이오드, 부전압 보호용은 쇼트키 배리어 다이오드라고 지정되어 있는 정도이다.
이러한 다이오드의 정격 전류는 레귤레이터의 정격 전류 정도가 필요하다고 생각한다. 내압은 무유도 부하인 경우, 입력 쇼트 보호는 1차 전압 이상이 필요하고 부전압 보호는 2차 전압 이상이 필요하다. 

발진 방지용 콘덴서를 설치했는가?

3단자 레귤레이터의 경우, 기생 발진 등의 불안정한 상태를 피하기 위해 입력과 출력에 작은 콘덴서를 접속하도록 데이터시트에 기재되어 있다. 그 콘덴서는 그림 25와 같이 레귤레이터 바로 옆에 설치한다. 



입력 측 콘덴서 C_in은 LM317에서는 필수, 7800 시리즈에서는 메이커에 따라 ‘전원에서 거리가 멀리 떨어진 경우 설치한다’라고 되어 있다.
이 콘덴서의 용량 지시값은 제조사의 데이터시트에 따라 다르다. 단, 부하 상태에 따라서는 데이터시트의 지시값을 넣어도 불안정해지는 경우도 있다. 이 때의 발진은 상당히 높은 주파수인 경우가 있다. 또한, 풀스윙으로 발진한다고 한정할 수 없으므로 쉽게 보면 간과해 버릴 수 있다.
아날로그 오실로스코프에서 봤을 때 ‘선이 약간 번져 보이는’ 정도라고 해도, 레인지를 올려 보면 훌륭하게 발진하는 경우가 있다. 장치에 발생한 기현상을 따라가다 보면 전원이 어처구니없는 주파수에서 발진하는데, 그 이유는 콘덴서가 들어 있지 않았기 때문인 경우도 있다. 그러므로 콘덴서를 추가하거나 위치, 용량, 종류를 바꾸는 것을 대책으로 고려할 수 있다. <>

3단자 레귤레이터의 발열을 계산하여 충분히 방열했는가?

최대 전류가 정격값으로 수렴되었다고 안심해서는 안 된다. 파워 트랜지스터나 파워 MOSFET도 마찬가지인데, 부품에는 동작온도의 상한이 있다. 조건에 따라 흘릴 수 있는 전류의 상한이 정해져 버린다.
그림 C는 방열기가 없는 경우의 최대 허용 손실과, 입력 전압 9V를 출력 전압 5V로 떨어뜨린 경우에 취할 수 있는 전류를 나타낸 것이다. 그림 C에서 알 수 있듯이, 7805의 정격 전류 1A에 비해 허용 손실 최대 한도에서도 정격 전류의 1/4, 0.25A 정도밖에 출력할 수 없다. 또한 입력 전압 V_in과 출력 전압 V_out의 차이가 커질수록 전류를 출력할 수 없게 된다.



그림 D는 30mm 사각형 정도의 방열기 30P30(마루산전기)를 설치했을 경우의 식을 나타낸 것이다. 이번에는 허용 손실 한도까지 사용할 경우 거의 1A를 취할 수 있다. 결과가 좋다고 생각될지 모르지만, 이 경우에도 입력 전압을 24V로 하면 0.2A밖에 출력할 수 없다.



1. 방열기를 사용해도 허용 손실을 넘길 때
앞에서 설명한 바와 같이, 입출력 전압차가 크거나 간단히 허용 손실을 초과하면 레귤레이터 단독으로는 속수무책이 된다.
저항에 손실을 분담하면 조금 더 분발하는 경우도 있다. 그림 E는 입력 24V, 출력 5V, 0.5A를 목표로 한 경우이다. 그대로는 정격 손실을 넘게 되지만 그림 C에서는 7805와 입력 전압 사이에 30Ω의 저항이 들어 있다. 단, 저항 R_in에 7.5W나 되는 손실이 발생하므로 여기에는 큰 세그먼트 저항 등이 필요하며, 동시에 주위에 대한 영향도 고려하여 발열 대책을 생각해야 한다.



실제로 시간이 촉박한 실험이나 시험 제작을 위해 갑자기 사용하는 전원으로는 이 정도도 괜찮지만 5V, 0.5A를 사용하기 위해 9.5W나 쓸데없이 버린다면 제품으로는 사용할 수 없다. 이 예와 같이 발열이나 손실이 커진 경우, 스위칭 레귤레이터 모듈 등을 검토하는 편이 좋을 것이다. 유타카전기제작소의 YDS 시리즈 등이 있으며, 크기는 작은 방열기를 붙인 3단자 레귤레이터 정도의 제품도 있어 외장 부품도 줄이고 스위칭화하는 장벽도 낮출 수 있다. <今關 雅敬>

本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=001&idx=13782