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선형 조정기의 장점과 단점 이해

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글/Bill Schweber, Digi-Key’s North American Editors

설계자는 스위칭 DC/DC 컨버터의 효율을 잘 알고 있지만, 여러 응용 분야에서 최선의 선택은 여전히 선형 조정기이다. 그 이유를 이해하면 설계자가 올바른 선택을 내리고 제대로 구현하는 데 도움이 될 수 있다.
이 기사에서는 선형 조정기와 스위칭 조정기를 비교하고 효율과 함께 단순성, 저비용, 안정성 등과 같은 요소를 어떻게 적절히 고려해야 하는지 보여준다.

스위칭 조정기: 효율은 뛰어나지만 복잡함

스위칭 조정기는 매우 효율적이고 승압(부스트), 강압(벅) 및 전압 반전이 간단하다. 최신 모듈식 칩은 콤팩트하고 안정적이며 여러 제조업체에서 제공한다. 스위칭 조정기는 이와 같이 여러 장점이 있지만 몇 가지 단점도 있다(표 1).
먼저, 스위칭 조정기는 복잡한 칩이므로 새 제품이 제대로 작동하려면 추가적인 설계 작업이 필요할 수 있다. 둘째, 최신 스위칭 조정기의 통합 수준을 달성하려면 비용이 많이 들 수 있으며 칩 크기도 증가한다. 마지막으로, 그러한 고주파 스위칭은 대개 잡음이 많다.
고주파 작동으로 생성된 입력 및 출력 필터에서의 전압 및 전류 리플은 스위칭 조정기를 사용하는 설계의 주된 문제일 수 있다. 이러한 문제를 극복할 수는 있지만 상응하는 시간과 설계 기술이 필요하다.
선형 조정기는 스위칭 유형의 주요 약점을 모두 해결한다. 선형 조정기는 간단하고 비용이 낮으며 적은 개수의 외부 부품이 필요하고 과도한 잡음을 생성하는 스위칭이 없다. 표 1에 표시된 대로 적절한 응용 분야의 경우 이러한 일반적인 장치가 좋은 선택일 수 있다.

벅 작동 전용

마지막 단락에서 핵심 문구는 ‘적절한 응용 분야’인데, 선형 조정기는 여러 설계에서 작동하지 않거나 적절한 선택이 아닐 수 있으므로 어느 정도의 절충이 필요하기 때문이다.
예를 들어, 선형 조정기는 입력 전압을 강압(‘벅’)할 수만 있다. 이런 제약 때문에 LDO에 필요한 입력 전압을 충분히 초과하기 위해 배터리를 추가하여 기본 DC 공급 전압을 늘려야 할 수 있다. 즉, 배터리의 완전 방전 주기 동안 안정적인 5V 출력을 확보하기 위해 공칭 전압이 각각 1V~1.5V인 전지 5개를 사용해야 할 수 있다. 적은 수의 배터리로 작동할 수 있는 스위칭 조정기가 비싸기는 하지만 전지를 추가하는 비용이 곧 더 커질 수 있다. 또한 추가되는 배터리는 귀중한 공간을 차지한다.
더욱이, 선형 조정기는 승압할 수 없다는 점도 제품에서 한 부품이 다른 모든 부품보다 높은 전압을 필요로 하는 경우에 문제가 된다. 마찬가지로 일부 아날로그 회로망에 네거티브 전압이 필요한 경우 선형 조정기는 포지티브 공급 반전이 불가능하므로 사용할 수 없다.
선형 조정기는 스위칭 장치만큼 효율적이지 않으므로 배터리가 오래 지속되지 않는다. 더욱이, 배터리에 약간의 전하가 남아 있지만 결합된 출력이 실리콘에 필요한 최소 전압보다 낮은 경우 남은 전하를 추출할 방법이 없다.
반면, 스위칭 장치는 부스트 모드로 전환해서 배터리 전력을 마지막까지 사용할 수 있다. 벅-부스트 조정기라고 하는 이 장치는 배터리의 소스 DC가 처음에는 실제로 필요한 레일 전압보다 높지만 배터리가 방전되면서 낮아지는 경우에 매우 유용할 수 있다. 벅-부스트 장치는 모드 간에 원활하게 전환할 수 있으므로 배터리 출력이 출력 레일 아래로 떨어지는 경우에도 출력 레일을 원하는 값으로 유지할 수 있다.
초저전력 응용 분야의 경우, 스위칭 조정기의 비용을 절약하기 위해 수명 감소를 감수할 수도 있다. 예를 들어, 고전력을 요구하는 제품의 배터리 수명이 선형 조정기를 사용해서 12시간에서 8시간으로 떨어진다면 고객이 만족하지 않겠지만, 저전력을 요구하는 제품의 배터리 수명이 6개월에서 5개월로 줄어드는 대가로 구매 가격이 싸진다면 아마도 기꺼이 받아들일 것이다...(중략)