LDO 레귤레이터
13장의 밴드갭은 온도와 무관한 1.2 V를 만들었다. 하지만 그 기준 전압은 전류를 거의 내지 못하고, 칩의 실제 전원은 방전되는 배터리다. 2.5~3.6 V로 출렁이는 배터리에서 10 mA를 끌어가도 흔들리지 않는 1.8 V를 만드는 회로가 LDO(Low-dropout regulator)다. 구조는 단순하다. 큰 PMOS 하나를 오차 증폭기가 피드백으로 조인다. 그런데 그 PMOS의 크기, 출력 커패시터, 부하 전류가 드롭아웃·과도 응답·안정도·전원 잡음 제거를 모두 맞바꾼다. 이 장은 그 맞바꿈을 엔진으로 돌려 보며 AB-1의 LDO를 정한다.
- 배터리 방전, 디지털 부하의 순간 전류, 전원 잡음이 왜 아날로그 회로에 레귤레이터를 요구하는지 설명한다.
- 기준 전압 · 오차 증폭기 · PMOS 패스 소자 · 분배 저항 · 출력 커패시터로 이루어진 LDO 루프의 동작점을 읽는다.
- 드롭아웃 \(V_{DO} \approx I_{LOAD}R_{on}\)을 계산하고, 패스 소자 W를 키우면 드롭아웃은 줄지만 게이트 커패시턴스가 커진다는 것을 안다.
- 라인·로드 레귤레이션을 루프 이득으로 어림하고 엔진과 비교한다.
- 부하 계단에서 출력 언더슈트 \(\Delta V \approx \Delta I\,\Delta t/C_{out}\)를 어림한다.
- 출력 극점이 부하 전류에 따라 움직여 위상 여유가 바뀌는 이유, ESR 영점의 역할, 캡리스 LDO의 어려움을 이해한다.
- PSRR을 주파수별로 읽고, LDO의 효율 \(V_{OUT}/V_{IN}\)과 발열을 스위칭 컨버터와 비교한다.
왜 레귤레이터가 필요한가
AB-1은 리튬 배터리 하나로 동작한다. 배터리 전압은 충전 직후 약 3.6 V에서 방전 끝 무렵 약 2.5 V까지 내려간다. 그런데 AB180 공정의 코어 소자는 1.8 V용이다. 3.6 V를 그대로 걸면 게이트 산화막이 버티지 못하고, 2.5 V와 3.6 V 사이를 오가는 전원으로는 9장 OTA의 동작점도 매번 달라진다.
전압이 천천히 바뀌는 것만 문제가 아니다. 같은 배터리를 나눠 쓰는 디지털 회로(SAR 논리, 클록, 직렬 인터페이스)는 클록 모서리마다 수 ns 안에 수 mA를 끌어간다. 배터리와 배선의 저항 몇 Ω만 있어도 전원이 수십 mV씩 꺼진다. 근처의 스위칭 전원이 만드는 수백 kHz 잔물결도 섞인다. 12비트 ADC의 LSB가 293 µV라는 것을 생각하면, 이 잡음이 기준 전압이나 OTA에 그대로 들어가는 것은 받아들일 수 없다.
아래 시뮬레이터는 내부 저항 3 Ω짜리 배터리에 디지털 부하(1 mA 바탕에 10 mA 버스트)와 200 kHz 잔물결을 얹었다. 레귤레이터 없이 칩에 전원을 바로 주는 경우와 LDO를 거치는 경우를 같은 스코프로 본다.
배터리를 그대로 쓰면 전원이 춤춘다
LDO를 거치면 배터리 전압이 1 V 넘게 바뀌어도 출력은 mV 단위로만 움직이고, 10 mA 버스트와 200 kHz 잔물결도 수 mV 아래로 줄어든다. 레귤레이터의 성능은 이 세 가지로 나눠 잰다. 입력 전압 변화에 대한 라인 레귤레이션(Line regulation), 부하 전류 변화에 대한 로드 레귤레이션(Load regulation)과 부하 과도 응답, 그리고 입력 잡음을 주파수별로 얼마나 막는지 나타내는 PSRR(Power supply rejection ratio)이다.
LDO의 구조: 큰 PMOS 하나와 피드백
LDO는 8장의 피드백 증폭기를 전원에 적용한 것이다. 출력을 저항 분배기로 나눈 \(V_{FB}\)를 기준 전압 \(V_{REF}\)와 비교하고, 오차 증폭기가 그 차이로 PMOS 패스 소자의 게이트를 움직인다. 출력이 내려가면 \(V_{FB} < V_{REF}\)가 되어 게이트가 내려가고, PMOS의 \(V_{SG}\)가 커져 전류를 더 낸다. 루프 이득이 크면 \(V_{FB}\)는 \(V_{REF}\)에 붙어 있게 된다.
아래 회로도는 엔진(AN.circuit)이 푼 동작점을 그대로 그린다. \(V_{IN}\)과 부하 전류를 바꿔 보고, 소자를 눌러 패스 소자가 어느 영역에 있는지 보라. 움직이는 점의 속도는 그 가지의 전류에 비례한다.
살아 있는 LDO: 게이트가 부하를 따라 움직인다
보았듯이 부하 전류가 1000배 바뀌어도 출력은 수 mV만 움직인다. 그 대신 게이트 전압이 1 V 가까이 움직인다. 오차 증폭기의 일은 "출력을 지키기 위해 게이트를 얼마든지 움직이는 것"이고, 루프 이득이 그 정확도를 정한다. 부하가 0에 가까우면 패스 소자는 약반전으로 들어가 gm이 작아지고, 이것이 뒤의 안정도 이야기에서 다시 등장한다.
드롭아웃과 패스 소자 크기
입력이 출력에 가까워지면 패스 소자의 \(V_{SD}\)가 \(V_{SG} - |V_{th}|\)보다 작아져 포화를 벗어난다. 선형 영역의 PMOS는 저항 \(R_{on}\)처럼 동작하고, 오차 증폭기가 게이트를 바닥까지 끌어내린 뒤에는 더 할 수 있는 일이 없다. 출력은 입력에서 \(I_{LOAD}R_{on}\)만큼 아래에 끌려 다닌다. 그 차이가 드롭아웃 전압이다.
아래에서 \(V_{IN}\)을 3.6 V에서 1.5 V까지 엔진으로 훑는다(DC 스윕). 패스 소자 W를 줄이면 드롭아웃이 커지고, 키우면 줄어든다. 그래프 위를 끌면 그 \(V_{IN}\)의 동작점이 보인다.
입력을 내리면 어디서 레귤레이션이 무너지나
드롭아웃 근처에서 무너지는 것은 출력 전압만이 아니다. 패스 소자가 선형 영역에 들어가면 \(g_{mp}r_{op}\)가 1 근처로 떨어져 루프 이득이 크게 줄고, 라인 레귤레이션과 PSRR도 함께 나빠진다. 그래서 데이터시트의 PSRR은 늘 "\(V_{IN} - V_{OUT}\) = 0.5 V 이상에서" 같은 조건을 단다.
그러면 W는 얼마로 정해야 하나. 사양은 "\(V_{SD}\) = 200 mV에서 10 mA를 낸다"이다. 이 조건은 엔진 없이도 AN.mos 한 줄로 확인할 수 있다. 오차 증폭기가 게이트를 0.2 V까지 끌 수 있고, 최저 입력이 \(V_{OUT}\) + 200 mV = 2.0 V라면 \(V_{SG,max}\) = 1.8 V다. 아래에서 W를 끌어 그 조건을 만족하는 최소 W를 찾아보라.
VSD 200 mV에서 10 mA를 내려면 W가 얼마여야 하나
패스 소자는 칩에서 가장 큰 트랜지스터 중 하나다. W를 키우면 드롭아웃이 줄지만, 게이트 커패시턴스가 W에 비례해 커지고 오차 증폭기는 그 큰 커패시터를 빠르게 움직여야 한다. 게이트 극점이 내려와 안정도와 과도 응답이 나빠지는 것이 W를 무작정 키울 수 없는 이유다(5·6절).
라인·로드 레귤레이션
피드백이 출력을 지키는 정확도는 루프 이득이 정한다. 부하 전류가 \(\Delta I\)만큼 늘면 패스 소자는 \(V_{SG}\)를 \(\Delta V_{SG}\)만큼 더 받아야 한다. 오차 증폭기가 그만큼 게이트를 움직이려면 입력에 \(\Delta V_{SG}/A\)의 오차가 있어야 하고, 출력으로 환산하면 β로 나눈 값이다. 입력 전압이 \(\Delta V_{IN}\)만큼 오를 때도 같은 논리다. 패스 소자의 \(V_{SD}\)가 늘어 전류가 \(\Delta V_{IN}/r_{op}\)만큼 늘려고 하고, 게이트가 VIN을 완전히 따라가지 못한 몫(1 − α)도 \(V_{SG}\)를 바꾼다.
AN.vgsFor)이므로 \(\Delta V_{OUT}\) ≈ 0.55/66.7 ≈ 8 mV. α는 오차 증폭기 출력이 VIN을 따라가는 비율(PMOS 부하 OTA면 1에 가깝다, 여기서는 0.9). 10 mA에서 \(g_{mp}r_{op}\) ≈ 16이면 \(\Delta V_{OUT}/\Delta V_{IN}\) ≈ (0.1 + 0.06)/66.7 ≈ 0.25%.아래 시뮬레이터에서 오차 증폭기 이득 \(A\)를 바꾸며 엔진의 두 스윕(부하 전류 스윕, 입력 전압 스윕)과 손 계산 직선을 비교해 보라.
루프 이득이 레귤레이션을 정한다: 손 계산 vs 엔진
로드·라인 레귤레이션 모두 손 계산이 엔진과 거의 겹친다. 라인 쪽은 \(r_{op}\)를 \(V_{IN}\) 3.05 V 한 동작점으로 대표했는데도 2.5~3.6 V 전체에서 맞는다. 루프 이득 식이 직류 정확도를 잘 설명한다는 뜻이다. 여기서 끌어낼 설계 지침은 두 가지다. 직류 정확도는 오차 증폭기 이득이 사고, 라인 레귤레이션은 게이트가 입력을 얼마나 잘 따라가느냐(오차 증폭기 출력단의 구조)에도 달려 있다.
부하 과도 응답
디지털 회로가 깨어나며 부하가 수 ns 만에 0에서 10 mA로 뛰면, 루프는 그 순간을 따라가지 못한다. 오차 증폭기가 게이트를 움직여 패스 소자의 전류를 늘리기까지 걸리는 시간 \(\Delta t\) 동안 부족한 전류는 출력 커패시터가 대신 낸다. 커패시터 전압은 그만큼 떨어진다.
아래 스코프는 엔진 과도 해석이다. 출력 커패시터, 오차 증폭기의 출력 저항(게이트 구동력), ESR을 바꿔 보라. 위 칸은 부하 전류, 아래 칸은 출력 전압을 mV 단위로 확대한 것이다.
부하가 뛰면 출력 커패시터가 먼저 버틴다
손 계산 \(\Delta I\,R_oC_G/C_{out}\)은 언더슈트를 조금 크게 잡는다. 실제 루프는 게이트 시상수 동안 아무것도 안 하는 것이 아니라 그 사이에도 일부 전류를 늘리기 때문이다. 그래도 경향은 정확하다. 언더슈트를 줄이는 방법은 \(C_{out}\)을 키우거나, 게이트를 빨리 움직이는 것(\(R_o\)를 줄이는 버퍼, 큰 바이어스, 순간 전류를 늘리는 적응 바이어스)이다. 두 방법 모두 다음 절의 안정도와 엮여 있다.
안정도: 부하에 따라 움직이는 극점
LDO 루프에는 두 개의 중요한 극점이 있다. 하나는 출력 마디의 극점 \(p_{out} = 1/(2\pi R_{out}C_{out})\)이고, 다른 하나는 오차 증폭기 출력(게이트 마디)의 극점 \(p_G = 1/(2\pi R_oC_G)\)다. 10장의 2단 OTA와 다른 점은 \(R_{out} \approx r_{op} \approx 1/(\lambda I_{LOAD})\)가 부하 전류에 반비례해 바뀐다는 것이다. 부하 0.1 mA에서 10 mA로 가면 출력 극점이 약 100배 올라간다.
그래서 외장 커패시터 LDO는 무거운 부하에서 위상 여유가 가장 작다. ESR 영점은 \(f_u\) 근처에서 위상을 되돌려 주는 고마운 존재지만, 너무 크면 부하 계단에서 \(\Delta I\cdot\)ESR 계단이 생긴다. 반대로 \(C_{out}\)을 칩 안의 1 nF 수준으로 줄인 캡리스 LDO(Capless LDO)는 출력 극점이 위로 올라가 게이트 극점보다 높아진다. 지배 극점 역할이 뒤바뀌어 이번에는 가벼운 부하에서 위험해진다.
부하 전류가 극점을 끌고 다닌다
외장 커패시터 LDO에서 무거운 부하가 위험한 이유는 결국 \(f_u \propto g_{mp}\)이기 때문이다. 부하가 100배 늘면 \(g_{mp}\)는 약반전 근처에서 거의 100배, 강반전에서 약 10배 커진다. \(f_u\)가 게이트 극점에 다가가는 만큼 PM이 깎인다. 설계는 가장 무거운 부하에서 PM을 맞추고, 가장 가벼운 부하에서는 출력 극점이 너무 낮아져 루프가 느려지지 않는지(부하 계단 후 회복 시간)를 본다.
PSRR: 입력 잡음을 얼마나 막나
PSRR은 입력의 작은 교류가 출력에 얼마나 줄어 나타나는지다. \(\text{PSRR} = -20\log_{10}|v_{out}/v_{in}|\)(dB, 클수록 좋다). 엔진으로는 \(V_{IN}\) 소스에 ac 1을 주고 출력 마디의 AC 응답을 보면 된다. 낮은 주파수에서는 루프가 잡음을 지운다. 주파수가 올라가 루프 이득이 줄면 PSRR도 줄고, 더 높은 주파수에서는 출력 커패시터가 출력 마디를 직접 붙잡아 다시 좋아진다.
주파수마다 다른 PSRR: 1 MHz에서 40 dB를 지키나
PSRR 곡선에는 세 구간이 보인다. 루프 이득이 큰 저주파 평탄 구간, 루프 이득이 주파수에 따라 줄어드는 중간 구간, 출력 커패시터가 잡음을 접지로 흘리는 고주파 구간이다. 이 장의 등가 모델처럼 출력 극점이 지배 극점이면 중간 구간의 손실과 커패시터의 이득이 같은 비율(20 dB/dec)로 바뀌어 서로 상쇄되고, 곡선은 \(f_u\) 근처까지 평탄하다가 위로 올라간다. 실제 칩에서는 패스 소자의 \(C_{gd}\)와 \(C_{gs}\), 기판 결합 때문에 수 MHz 이상에서 PSRR이 다시 떨어진다.
효율과 열
LDO는 남는 전압을 패스 소자에서 열로 버린다. 부하 전류가 거의 그대로 입력에서 흘러오므로 효율은 전압비로 정해진다. 바이어스로 쓰는 정지 전류 \(I_Q\)가 조금 더 깎는다.
스위칭(벅) 컨버터는 인덕터로 에너지를 옮기므로 입력·출력 전압비와 관계없이 85~95%의 효율을 낸다. 그 대신 스위칭 잔물결과 인덕터, 큰 면적이 필요하다. 아래에서 배터리 전압을 끌며 둘을 비교해 보라.
LDO는 남는 전압을 열로 버린다
AB-1의 LDO는 10 mA만 다루므로 손실은 최악 18 mW, 온도 상승은 2 °C 안쪽이다. 효율 50~72%는 아쉽지만, AB-1이 지키려는 것은 효율이 아니라 깨끗한 전원이다. 실제 제품에서는 배터리 → 벅 컨버터(효율) → LDO(깨끗함)로 둘을 이어 쓰는 경우가 많다. 벅이 2.1 V 정도로 내려 주면 LDO는 300 mV만 버리면 되고(η ≈ 86%), 벅의 스위칭 잔물결은 LDO의 PSRR이 지운다. 그래서 1 MHz 근처의 PSRR 사양이 중요해진다.
2.5~3.6 V → 1.8 V, 10 mA LDO: 드롭아웃 약 110 mV, PM 61°, PSRR 58 dB @ 1 MHz
13장의 밴드갭 1.2 V를 기준으로, 분배기 150 kΩ/300 kΩ(β = 2/3, 4 µA)으로 1.8 V를 만든다. 오차 증폭기는 AB-1 OTA의 1단과 같은 5트랜지스터 단(이득 약 100, 40 dB)에 게이트 버퍼를 붙인 것으로 보고(출력 저항 20 kΩ, 게이트 마디 약 10 pF), 출력단은 VIN 기준(α ≈ 0.9)으로 둔다. 패스 소자 크기는 AN.mos로 정했다. 최저 입력 2.0 V(1.8 V + 200 mV), 게이트 바닥 0.2 V면 \(V_{SG,max}\) = 1.8 V이고, \(V_{SD}\) = 0.2 V에서 10 mA를 내는 최소 W는 L 0.18 µm에서 약 100 µm(10.5 mA)다. 2배 여유를 둬 W/L = 200/0.18 µm로 정했다. 엔진 DC 스윕으로 10 mA 드롭아웃은 약 110 mV(손 계산 I·Ron ≈ 105 mV)로 사양 200 mV 안쪽이다. 라인 레귤레이션은 2.5 → 3.6 V에서 약 2.7 mV, 로드 레귤레이션은 0 → 10 mA에서 약 8 mV(0.45%)다. Cout 1 µF(ESR 10 mΩ)에서 미들브룩 주입으로 잰 PM은 10 mA에서 약 61°(fu ≈ 460 kHz), 1 mA에서 80°, 0.1 mA에서 88°다. 0.1 → 10 mA 계단에서 출력은 약 6.6 mV 내려가고 그 가운데 순간 언더슈트는 약 0.5 mV다. PSRR은 10 mA에서 저주파 약 52 dB, 1 MHz에서 약 58 dB로 목표 40 dB를 넘는다. 효율은 3.6 V에서 50%, 2.5 V에서 72%, 패스 손실은 최대 18 mW다.
핵심 정리
- LDO는 기준 전압, 오차 증폭기, PMOS 패스 소자, 분배기로 이루어진 피드백 루프다. VOUT = VREF(1 + R1/R2). AB-1: 1.2 V × 1.5 = 1.8 V.
- PMOS 패스는 게이트를 접지 쪽으로 끌면 되므로 입력과 출력 차이가 작아도 동작한다. 드롭아웃 VDO ≈ ILOADRon, Ron ≈ 1/[µpCox(W/L)(VSG,max − |Vth|)].
- W를 키우면 드롭아웃이 줄지만 게이트 커패시턴스가 커져 게이트 극점이 내려온다. 게이트 구동 범위(VSG,max)가 곧 패스 소자 면적이다.
- 로드 레귤레이션 ≈ ΔVSG/(Aβ), 라인 레귤레이션 ≈ [(1 − α) + 1/(gmprop)]/(Aβ). 정확도는 루프 이득이 산다.
- 부하 계단의 언더슈트는 ΔI·Δt/Cout + ΔI·ESR. Δt는 오차 증폭기가 큰 게이트를 움직이는 시간이다.
- 출력 극점 1/(2πRoutCout)은 부하 전류에 따라 움직인다. 외장 C LDO는 무거운 부하에서, 캡리스 LDO는 가벼운 부하에서 PM이 가장 작다. ESR 영점은 위상을 되돌려 준다.
- PSRR은 저주파에서 루프 이득이, 고주파에서 출력 커패시터가 정한다. 오차 증폭기 출력이 VIN을 따라가야 패스 소자의 VSG가 흔들리지 않는다.
- LDO 효율은 약 VOUT/VIN이다(AB-1: 50~72%). 효율은 벅, 깨끗함은 LDO가 맡는다.
확인 퀴즈
1. PMOS 패스 소자가 선형 영역에서 Ron ≈ 9 Ω처럼 동작한다. 부하 10 mA에서 드롭아웃 전압은 약 얼마인가?
2. 배터리 3.6 V에서 1.8 V, 10 mA를 내는 LDO(정지 전류 무시)의 효율과 패스 소자 손실로 맞는 것은?
3. 외장 출력 커패시터(1 µF)를 쓰는 LDO에서 부하 전류를 0.1 mA에서 10 mA로 올렸다. 루프 안정도에 대한 설명으로 맞는 것은?
4. 부하가 순간적으로 10 mA 늘었고 루프가 반응하기까지 약 0.5 µs가 걸린다. Cout = 1 µF, ESR은 무시할 때 언더슈트 어림값은?
5. 오차 증폭기 출력단을 접지 기준(게이트가 VIN을 따라가지 않음)에서 VIN 기준(게이트가 VIN을 따라감)으로 바꿨다. 가장 크게 좋아지는 것은?