많은 전자 제품 설계에서 시스템의 서로 다른 영역에 둘 이상의 공급 전압이 필요합니다. 예를 들어, 어떤 설계에서는 높은 전압의 모터를 낮은 전압의 전자 장치가 제어합니다. 이런 시스템에서는 필요한 가장 높은 전압을 시스템 전체에 공급한 후, 제어용 전자 장치에 사용할 낮은 공급 전압으로 전압을 강하하는 것이 가장 편리합니다.
이런 시스템을 설계하는 많은 사람들에게 도움이 되는 소자가 선형 전압 조정기 입니다. 선형 전압 조정기는 개념적으로는 단순한 소자여서 보통 아무런 문제 없이 동작합니다. 그러나 현실이 항상 친절하지는 않습니다. 개념적으로 타당한 것들과 시제품 제작 시에는 동작하던 것들이 현실에서 항상 정상적으로 동작하는 것은 아닙니다.
Digi-Key에 흔하게 접수되는 불만사항 중 하나는 선형 전압 조정기를 구매하고 전화해서는 불량품을 받았다고 얘기하는 것입니다. 증상은 부품이 동작을 정지하거나(출력 전압이 나오지 않음) 또는 실제로 과열로 죽은 경우입니다.
사람들이 선형 전압 조정기와 관련하여 겪는 대부분의 문제는 이들이 어떻게 작동하는지에 대해 이해가 부족하기 때문입니다. 조정기의 출력 전압을 과도하게 많이 떨어뜨리려 해서 (조정기가)발산할 수 있는 것보다 많은 열을 발생시키게 됩니다. 출력 전류가 지정된 범위의 상한선을 향해가고 입력과 출력 전압 간의 차이가 너무 크다면 적절한 크기의 방열판으로도 소자는 과열될 것입니다.
예를 들어 출력 전압과 출력 전류가 각각 5V와 1A이고 사용 가능한 공급 전압은 24V인 경우, 믿을 수 있는 78XX 제품군중 하나의 전압 조정기를 떠올리고 MC7805BTG이면 충분하다고 생각할 것입니다. 어쨌든 사양에 따르면 정격 입력 전압은 최대 35V이고, 5V로 조정된 전압과 최대 1A의 안정된 전류를 출력할 수 있습니다.
문제는 최대 내부 다이 (die) 온도 (흔히 "최대 작동 접합부 온도"라고 함) 를 초과하지 않아야 소자는 이런 개별 사양들을 만족할 수 있다는 것입니다. 높은 수준의 냉각이 조정기 본체에 적용되지 않는 한( 냉각 및 수냉을 떠올려보세요 ), 일반적으로 부품의 모든 사양이 동시에 최대치가 되는 것은 불가능합니다. 정상적으로 작동하는 설계를 위해서는 아래를 따라야 합니다:
- 부하 전류 감소
- 입력과 출력 간의 전압 차이 감소
- 방열 증가
- 상기의 것들을 조합
일반적으로 부하 전류와 전압 요구치는 고정되어 있기 때문에 할 수 있는게 많이 없습니다. 입력 전압을 감소시키는 것이 때때로 가능한데, 낮출 수만 있다면 내부 전력 소모량에 가장 큰 영향을 미칠 것입니다. 마지막으로 패키지의 열을 보다 효과적으로 없애기 위해 보다 큰 방열판을 사용하거나 팬으로 강제 공냉을 할 수도 있습니다.
특정 용도에서 어느 정도의 방열이 필요한 것인지 알아보기 위해서는 부품의 최대 내부 다이 온도, 최종 제품이 작동할 때 회로 기판 주변의 최대 예상 공기 온도("최대 주변 공기 온도"라고 함) 그리고 내부 다이와 주변 공기 간의 열 저항을 고려해야만 합니다.
열 저항은 °C/W로 나타내며, 소자의 패키지와 적용된 방열판 모두 열 저항 특성이 있습니다. 예를 들어 MC7805BTG에 사용된 일반적인 TO-220 케이스의 열 저항은 5°C/W 정도이며 최대 접합부 온도는 150°C 입니다. 일반적인 TO-220 방열판의 열 저항은 15°C/W 정도일 것입니다. 이 조합의 내부 다이와 주변 공기 간의 열 저항은 20°C/W가 됩니다.
출처 MC7805 규격서:
앞에서 설명한 예제를 사용하여 선형 전압 조정기가 소모하는 대략적인 수준의 전력을 시스템의 입력 전력과 출력 전력 간의 차이로부터 계산할 수 있습니다. 선형 전압 조정기의 경우 입력 전류는 출력 전류와 거의 동일하다는 점에 유의하시기 바랍니다 (입력 전류가 실제로는 약간 더 높지만 이 논의에서는 의미가 없을 정도로 높음을 가정).
- 입력 전력: P(in) = V(in) x I(in) = 24V x 1A = 24W
- 출력 전력: P(out) = V(out) x I(out) = 5V x 1A = 5W
- 조정기 소모 전력: P(reg) = P(in) - P(out) = 24W - 5W = 19W
그래서, 위에 주어진 조건들이라면 다이 온도는 얼마나 높아질까요?
- 다이 접합부 온도 = (케이스 열 저항 + 방열판 열 저항) x 내부 소모 전력 = (5°C/W + 15°C/W) x 19W = 주변 공기보다 380°C 높음!
엄청 뜨겁습니다! 열 저항이 5°C/W인 정말 효율적인 방열판을 사용해도 다이 접합부 온도는 주변 공기 온도보다 190°C 높아질 것입니다. 주변 공기 온도가 25°C라면 다이 온도는 조정기의 한계인 최대 150°C를 상회하는 215°C가 될 것입니다.
여기서 요점은 선형 전압 조정기는 마법같은 부품이 아니라는 것입니다. 시스템의 전압과 전류 요구치 뿐만 아니라 조정기가 처리해야하는 전력량까지 고려해야만 합니다. 조정기에 요구되는 전력 소모량이 증가함에 따라, 모든 예상되는 부하 및 주변 공기 온도 조건 하에서 다이 접합부 온도가 지정된 최대 온도를 넘지 않도록 방열의 개선 및/또는 입력 대 출력 전압 차이를 낮출 필요가 있습니다.
위에서 설명한 것처럼, 선형 조정기가 단순히 시스템에서 요구되는 정도를 처리할 수 없는 경우들이 있을 수 있어 대안을 고려할 필요가 있습니다. 가장 유용한 대안 중 하나는 일반적인 TO-220 스타일의 선형 전압 조정기와 같은 풋 프린트에 들어맞도록 설계된 특수 폼 팩터의 스위칭 DC-DC 컨버터를 사용하는 것입니다. Digi-Key는 이들을 “선형 조정기 대체가능” DC-DC 컨버터라고 부릅니다.
이런 소자들은 일반적인 78XX 타입 선형 조정기와 동일한 풋 프린트에 바로 사용 가능하며 일반적으로 방열을 전혀 필요로 하지 않습니다. 선형 조정기보다 훨씬 효율적이어서(보통 80% 이상) 열을 훨씬 적게 발생시킬 뿐만 아니라 배터리로 구동되는 제품에서는 배터리 수명을 크게 연장할 수도 있습니다.
영문 원본: Cooling Requirements for Linear Voltage Regulator