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LDO의 기본은 PSRR

LDO(low dropout regulator)의 가장 큰 장점 중 하나는 스위치 모드 전원 공급 장치에 의해 발생된 전압 리플을 감쇠시킬 수 있다는 것이다. 이러한 장점은 잡음이 심한 전원 전압이 성능을 저하시킬 수 있는 데이터 컨버터, PLL(phase-locked loop), 클록과 같은 신호 컨디셔닝 디바이스에서 중요하다. TI의 엔지니어인 Xavier Ramus가 “고속 시그널 체인에서의 전력 문제 완화”라는 주제로 신호 컨디셔닝 디바이스에 잡음이 미치는 좋지 않은 영향에 대해서 다루었지만 PSRR(power supply rejection ratio)은 여전히 하나의 정적인 값으로 잘못 이해되고 있다. 본 글에서 PSRR이 정확히 어떤 것이고 어떠한 변수들에 의해서 영향을 받는지 확인할 수 있다.

PSRR이란 무엇인가?
PSRR은 많은 LDO 데이터시트에서 공통적으로 표기하고 있는 사양이다. 이것은 LDO의 입력에서 출력으로 특정 주파수의 AC 성분을 얼마만큼 감쇠시키는지 나타내는 것이다. PSRR은 다음과 같은 방정식으로 표현된다.

Description:

이 공식을 보면 감쇠가 높을수록 PSRR 값(데시벨 단위)이 높다는 것을 알 수 있다. (일부 업체들에서는 감쇠를 나타내기 위해서 마이너스 부호를 사용하기도 하지만 TI를 비롯한 대부분 업체들은 그렇게 하지 않는다.)

흔히 데이터시트의 전기적 특성 표에서 PSRR은 120Hz 또는 1kHz 주파수로 표기하고 있는 것을 볼 수 있다. 그러나 이것만으로는 특정한 LDO가 자신의 필터링 요구를 충족할지 판단하기 어렵다.

애플리케이션에 적합한 PSRR 계산하기
그림 1에서는 DC/DC 컨버터가 12V 레일로부터 4.3V를 레귤레이트하고 있다. 그런 다음에는 PSRR이 높은 LDO TPS717을 사용해서 3.3V 레일을 레귤레이트한다. 스위칭으로부터 발생되는 리플이 4.3V 레일에서 ±50mV에 달한다. LDO의 PSRR이 TPS717 출력에서 남아 있는 리플의 양을 결정할 것이다.


그림 2: VIN – VOUT = 1V일 때 TPS717의 PSRR 곡선


감쇠의 정도를 계산하기 위해서는 먼저 리플이 어느 주파수에서 발생되는지 알아야 한다. 예를 들어 1MHz라고 가정해보자. 1MHz는 통상적인 스위칭 주파수 범위에서 정확히 중간이기 때문에 120Hz나 1kHz일 때 명시되는 PSRR값은 분석에 도움이 되지는 않는다. 그러므로 그림 2에서와 같은 PSRR 플롯을 확인해야 한다.

1MHz일 때 PSRR이 다음과 같은 조건하에 45dB라는 것을 알 수 있다:

  • IOUT = 150mA
  • VIN – VOUT = 1V
  • COUT = 1µF

이러한 조건이 자신의 조건과 일치한다고 가정해보면, 45dB는 178의 감쇠 계수에 해당된다. 그러면 입력에서 ±50mV인 리플이 출력에서 ±281µV로 줄어들 것이다.


다른 조건일 때


그림 3: VIN – VOUT = 0.25V일 때 TPS717
PSRR 곡선

 


조건들을 바꾸고 보다 효율적으로 레귤레이트하기 위해서 VIN – VOUT 델타를 250mV로 낮추기로 했다고 가정할 때는 그림 3과 같은 곡선을 확인해야 한다.

그 밖의 다른 모든 조건들은 그대로라고 했을 때 1MHz에서 PSRR은 23dB로 낮아지거나 감쇠 계수는 14이다. 이것은 CMOS 통과 소자가 트라이오드(선형) 영역으로 들어가기 때문이다. 그러므로 VIN – VOUT 델타가 드롭아웃 전압에 근접함에 따라서 PSRR이 감소한다. (드롭아웃 전압은 다른 어떤 요인들보다도 출력 전류에 따른 함수임을 명심해야 하며, 따라서 출력 전류가 낮을수록 드롭아웃 전압이 감소하고 PSRR을 향상시킨다.)


그림 4: VIN – VOUT = 0.25V 및 COUT = 10µF일 때 TPS717의 PSRR 곡선


출력 커패시터를 변화시키는 것 또한 그림 4와 같은 영향을 미친다. 출력 커패시터를 1µF에서 10µF으로 크기를 늘리면 VIN – VOUT 델타는 250mV로 그대로이더라도 1MHz일 때 PSRR이 42dB로 높아진다. 곡선 상의 고주파수 상승곡선이 왼쪽으로 이동했다는 것을 알 수 있는데 이것은 출력 커패시터의 임피던스 특성 때문이다. 출력 커패시터의 크기를 적정하게 함으로써 특정한 스위칭 잡음 주파수에 맞게 감쇠를 튜닝 하거나 높일 수 있다.

변수들을 다양하게 조절
VIN – VOUT과 출력 커패시턴스를 조절함으로써 특정 애플리케이션에 맞춰 PSRR을 향상시킬 수 있지만 PSRR에 영향을 미치는 변수들에는 이것만 있는 것은 아니다. 표 1은 이러한 다양한 요인들을 보여준다.

파라미터 PSRR
저주파 (<1kHz) 중주파 (1kHz – 100kHz) 고주파 (>100kHz)
VIN – VOUT +++ +++ ++
출력 커패시터(COUT) 효과 없음 + +++
노이즈 리덕션 커패시터 (CNR) +++ + 효과 없음
피드 포워드 커패시터 (CFF) ++ +++ +
PCB 레이아웃 + + +++

표 1: PSRR에 영향을 미치는 다양한 요인들

효과적인 LDO 필터를 설계하기 위해서 어떻게 변수들을 조절할 수 있는지 확인하였으며, LDO PSRR에 관한 보다 자세한 정보는 애플리케이션 노트 “간단하게 설명하는 LDO PSRR 측정”에서 확인할 수 있다.

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