헬로티 서재창 기자 |

 

요약

 

이 글에서는 설계에 전원 공급장치의 적정 허용오차를 선택하는 방법을 보여준다. 특히 LTpowerCAD 저항 분배기 툴박스를 이용해 소자 허용오차를 사용하고 출력 전압에서 대응하는 오차를 추정하는 방법을 설명한다. 설계자는 이러한 정보를 이용해 애플리케이션에 수용 가능한 허용오차를 적절하게 결정할 수 있다. 

 

 

들어가며

 

전원 공급장치는 거의 모든 회로에서 볼 수 있다. 무선 트랜시버에서부터 마이크로프로세서, FPGA 및 증폭기에 이르기까지 전원 공급장치는 아날로그 또는 디지털 회로 어디에나 항상 있는 핵심 부품이다. 다른 소자들과 마찬가지로 전원 공급장치는 다양한 형태와 유형으로 제공된다.

 

선형 레귤레이터 또는 스위칭 모드 레귤레이터와 같은 서로 다른 아키텍처는 저마다의 장단점을 갖고 있어 특정 애플리케이션에서 하나의 아키텍처는 다른 아키텍처에 비해 더 적합하다. 이러한 모든 아키텍처에서 한 가지 공통분모는 출력이 외부 부품, 특히 피드백 저항의 조합에 의해 결정된다는 것이다. 

 

시뮬레이션 툴을 활용하면, 전원 공급장치를 필요한 규격에 맞춰 설계하고, 이를 만족하는 소자 값을 찾는다. 시뮬레이션 결과가 만족스럽게 보여도 실제 설정에는 제약이 있다. 한 가지 공통적인 부분으로 소자의 허용오차를 든다.

 

실제로 저항이나 커패시터 같은 소자의 정격값은 다양하며, 이 차이가 허용오차를 나타낸다. 5V 신호를 출력하는 57kΩ 및 23kΩ 저항의 시뮬레이션된 저항 조합은 다양한 소자로 인해 실제 57kΩ 및 23kΩ의 조합과는 다르게 나타날 수 있다. 이 허용오차는 IC에 내재하는 오차에 더해 DC 출력 전압 정확도에 영향을 미친다.

 

레귤레이터 출력 계산

 

아나로그디바이스의 많은 전압 레귤레이터 IC에는 출력 피드백 핀(FB 또는 ADJ 핀)이 있다. 따라서 출력 전압을 한 쌍의 외부 저항 RTOP과 RBOT을 사용해 설정할 수 있다. 여기서 RTOP은 VOUT와 FB 핀에 연결되고, RBOT은 FB 핀과 IC 신호 접지 핀을 연결한다. 일반적으로 표준 IC 데이터 시트 공식은 다음과 같이 나타낼 수 있다. 

 

 

여기서 VREF는 피드백 오차 증폭기의 내부 입력으로서, IC 내부 레퍼런스 전압이다. LT3062 선형 레귤레이터의 출력 전압 공식을 예로 들어보자. 그림 1은 계산된 출력 전압을 보여준다.
 
 

 

내부적으로 생성되고, 정확하다고 가정되는 레퍼런스 전압(LT3062의 VREF = 0.6V)에서 출력 전압 분배기 피드백 네트워크(R1 및 R2)는 IC가 조절하는 전압 레벨을 지정한다. LT3062 공식에는 ADJ 핀에서 나오는 의도하지 않은 바이어스 전류인 IADJ로부터 추가된 항이 있다. 이 항의 정격 값은 15nA이지만 전기 특성(EC) 표에서 보듯이 최대 60nA까지 올라가며, 이로 인해 추가적인 VOUT 레귤레이션 오차가 발생할 수 있다. 

 

VOUT(V)	R1 (kΩ)	R2 (kΩ)
1.2	118	118
1.5	121	182
1.8	124	249
2.5	115	365
3	124	499
3.3	124	562
5	115	845
12	124	2370
15	124	3010

▲공통 전압 출력 레벨을 위한 LT3062의 R1 및 R2 조합

 

R1 및 R2의 1% 허용오차를 사용하는 경우 저항 분배기에 의해 발생하는 전체 Vo 오차는 얼마인가? 1% 또는 2%인가? 애플리케이션에는 0.5% 또는 0.1% 저항을 사용해야 하는가? 출력 전압에 특정 수준의 정확도가 요구될 수 있으며, 정확한 저항을 선택하는 것이 중요하다. 더 높은 허용오차의 저항을 사용하여 목표 오차에 도달할 수 있다면 매우 낮은 허용오차를 갖는 (매우 비싼) 저항을 사용하고 싶지는 않을 것이다.

 

LTpowerCAD 저항 분배기 툴

 

설계를 돕기 위해 LTpowerCAD 저항 분배기 툴을 사용할 수 있다. LTpowerCAD는 저항 분배기 설계 툴을 포함한 설계 자산 툴박스를 제공하는 완전한 전원 공급장치 설계 프로그램이다. 저항 분배기 툴은 원하는 출력 전압 레벨 VOUT 및 레귤레이터의 레퍼런스 전압 VREF(ADJ 핀 또는 FB 핀 전압)과 같은 입력을 취한 다음, 선택한 허용오차에 따라 원하는 전압에 도달하는 데 상용으로 사용할 수 있는 표준 저항 값을 권장한다. 

 

이 툴로는 다음과 같은 두 가지 오차를 추정할 수 있다. 첫 번째는 표준 및 디스크리트 표준 저항 값에 의한 오차다. (참고 : 주어진 VOUT 및 VREF에서 툴은 이러한 오차를 최소화하는, 표준 저항 값에서 가장 일치하는 쌍을 자동으로 선택하므로 실제 VOUT은 목표 값에 가장 가깝다.) 두 번째는 주어진 VOUT 및 VREF 조합에 대한 저항 허용오차로 인한 오차다. 

 

실제로 1% 정확도의 저항 분배기 쌍을 사용할 경우 유효 분배기 허용오차는 1~2% 범위에서 분배기 비율의 함수가 된다. LTpowerCAD 저항 분배기 툴은 이 두 오차를 합산해 전체 저항 분배기 허용오차를 구한다. 따라서 엔지니어는 쉽게 전체 오차를 보면서 최종 목표를 충족하는 데 필요한 저항 허용오차 수준(0.1%, 0.5%, 1% 또는 2%)을 결정한다. 
 

 
 

 

이 툴에는 또한 다른 저항(사용자 입력)이 주어질 때 목표 또는 허용 가능한 소자 허용오차를 고려하면서 위·아래 저항 값을 찾는 항목이 있다. 저항 값 권장사항 외에도, 이 툴은 이상적 및 실제 VOUT에 대해 소자 허용오차와 관련된 오차 계산도 보여준다.

 

이러한 파라미터를 사용해 설계자는 자신이 선택한 소자 허용오차에서 예상되는 전압 범위를 파악하고 그 값이 목표 애플리케이션에 적합한지 여부를 평가한다. 마지막으로, 이 툴에는 모든 주어진 값에 대한 표준 값 저항을 찾는 기능도 있어 소자 검색을 단순화할 수 있다.

 

그 밖의 오차와 고려사항

 

이 저항 분배기 툴은 저항 분배기에 의한 DC 오차만 추정한다는 것을 지적할 필요가 있다. 여기에는 전체 전원 공급장치 VOUT 레귤레이션 정확도를 얻기 위해 저항 분배기 오차에 추가해야 하는 다른 DC 오차는 포함되지 않았다. 이러한 추가 오차에는 다음 사항들이 포함된다. 

 

1) IC 내부 레퍼런스 전압(VREF) 오차. 일반적으로 0.5~1.5% 범위며, IC 데이터시트 EC 표에서 확인한다. 
2) IC EC 표에서 찾을 수 있는 전원 공급장치 라인 및 부하 레귤레이션 오차. 
3) ADJ 또는 FB 핀 누설 전류 오차. LT3062 예에서와 같이 오차를 줄이려면 더 낮은 RBOT 값이 바람직하다. 
4) 로컬 IC와 원격 부하 장치 사이의 PCB 저항 등으로 인한 추가적인 오차. 이러한 모든 오차는 전원 공급장치를 설계할 때 전체 오차 추정을 위해 고려돼야 한다.

 

이 밖에 고정밀 전자 시스템은 DC 오차 및 AC 리플을 포함해 전체 전원 출력 전압 허용오차에 대한 엄격한 요구사항을 가질 수 있다. 예를 들어 많은 고전류 ASIC 및 FPGA는 DC 오차 및 AC 리플을 포함하여 ±2% 또는 ±3%의 전체 허용오차 범위가 필요하다.

 

이러한 엄격한 요구사항을 만족하려면 전원 공급장치를 빠른 과도 응답을 갖도록 설계해야 할 뿐 아니라 빠른 부하 스텝 과도상태 동안 VOUT 리플을 최소화하도록 대용량 출력 커패시터를 포함해야 한다. 이 경우 엄격한 VREF 허용오차를 갖는 IC를 선택하는 것이 중요하다. 

고전류 레일에는 원격 전압 감지 기능이 있는 레귤레이터가 바람직하다. 그 밖에 출력 커패시터의 공간과 비용을 절감함으로써 얻는 효과는 0.5% 또는 0.1% 저항을 사용함으로써 비용이 약간 늘어나는 것과 비교했을 때 이득이 더 크다.

 

또한 ADI LTM 시리즈 µModule 레귤레이터와 같은 통합 모듈을 사용하는 것도 도움이 되는데, 이 제품은 완전한 고성능 전원 공급장치 솔루션의 전체 DC 레귤레이션 허용오차(VREF, 라인 및 부하 레귤레이션 오차 포함)를 지정한다. 
 
 

 
 

 
 

 

결론

 

목표 애플리케이션에 따라 특정한 전원 공급장치 VOUT 허용오차가 요구된다. 수 밀리볼트의 작은 오차가 다른 시스템에서는 중요한 측면이 될 수 있으므로 적절한 설계 고려사항을 충족하는 것이 중요하다. 레귤레이터 정확도에서 외부의 제어 가능한 한 가지 요소는 소자 허용오차다.

 

0.5% 허용오차를 갖는 저항과 2% 허용오차를 갖는 저항을 사용하는 차이는 시스템 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 적정 소자를 선택하면 오차 가능성이 줄어든다. 또한 적정 소자를 선택하면 소자를 변경할 필요가 최소화되거나 없어져 비용을 최소화하고 신뢰성을 높이는 데 도움이 된다. 

 

엔지니어는 LTpowerCAD 저항 분배기 툴을 사용해 소자의 허용오차가 전원 공급장치 설계에 미치는 영향을 관찰할 수 있다. 먼저 목표 출력 전압과 기준 핀 전압을 선택하여 설계자는 목표 전압에 가장 일치하는 표준 저항 쌍을 찾고, 그보다 위 또는 아래 저항 값을 구하며, 저항 분배기 허용오차로 원하는 전압 오차 범위를 달성할 수 있다. 

이러한 기능과 함께 표준 저항 탐색기를 갖춘 저항 분배기 툴은 전원 공급장치 설계에서 유용성을 입증하고 있다. 이 툴은 특히 전원 공급장치 설계를 처음 시작하는 엔지니어가 이러한 설계를 익히는 데 도움이 된다. 이 툴을 사용해 엔지니어는 의도한 애플리케이션에 필요한 규격에 일치하는 전원 공급 장치를 설계하고 다양한 시스템 블록에 최적의 성능과 전력이 공급되도록 보장할 수 있다.