Linear Technology Corporation
Power Seminar – LDO
2016. 10. 12.
LTC Korea
영업 강전도 부장 010-8168-6852
jdkang@linear.com
기술 박종만 차장 010-2390-2843
jmpark@linear.com
목차
LDO
1) LDO feedback 동작원리,
2) LDO 종류
3) LDO 특성
4) LDO 효율 및 발열
- 반도체 발열 특성
5) LDO Summary
6) Special LDO
Solution for Power
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1. LDO
Copyright © 2014 Linear Technology. All rights reserved.
Voltage Regulator Solutions
Linear Regulator
Switching Regulator Switching Regulator
(Inductor based)
(Charge-Pump)

Simple to design
and use!
 Low noise

High efficiency
(can be over 95%!)
 Small

Low efficiency
 Heat problems

Requires inductor
 Switching noise


Better efficiency
than LDOs
 Small, simple
solution
Limited voltage and
current options
Linear Technology offers high performance solutions for all three styles
Solution for Power
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LDO의 Feedback
동작 원리
Solution for Power
5
Regulator feedback
Vin
Vin voltage drop
1.Load current 가 작다면 R1,R2 높은 저항 값 사용 가능
2.Load current 가 변화가 없다면 Vcc는 일정한 전압을 가짐
3.Vin 전압 변화가 없다면 Vcc는 일정한 전압을 가짐
1.Load current 증가할수록 고정된 R1 저항을 바꿀 수 없으므로
Vcc 전압 낮아짐.
2.만약 높은 전류가 필요하다면 R1 저항 값을 낮춰야 하지만 그
경우 Source impedance(Rin)에 의해 입력 전압이 낮아짐.
Solution for Power
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Regulator의 feedback
Load
3.3V
clamping
1.R1 저항에 diode clamping current 이하로 전류 setting
2. Diode clamping current 이하의 변하지 않는 load 에 사용
3. 출력 전류의 변화에는 clamping current에서 대응 가능
4. 온도에 따른 Regulation 오차가 큼
Solution for Power
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Regulator의 feedback
Vcc =3.3V Load
4V
clamping
1.R1 저항에 diode clamping current 는 NPN의 base 전류 setting
2. Q1의 증폭도 및 R2 저항에 의해 load 전류 증가 시 대응가능
3. Load 변화에 정밀한 Regulation 불가능하나 출력 regulation
요구사항이 많지 않은 경우 사용가능.
Solution for Power
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Regulator의 feedback
다양한 조건에서 안정적인 Regulation을 위해
입력 전압/ 출력 전압/ 출력 전류에 따른 저항 값을 변경해 줄 수
있는 feedback loop 필요.
Solution for Power
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Linear Regulator의 동작 영역
BJT or FET
FET Dynamic Range
Linear
Region
Saturation
Region
BJT Dynamic Range
Linear Regulator는 Transistor(or FET) 가 Linear 영역 에서 동작
Switching Regulator는 Transistor(or FET)가 전 영역에서 동작
Solution for Power
10
Regulator의 Feedback 동작
Iin = Iout
PNP
Ground current
ADJ pin
NPN
Feedback 동작 원리
출력 전류의 증가 ->
Vout 전압 감소 ->
ADJ pin 전압 감소
-> OP amp 출력 High -> NPN TR on -> PNP base 전류 증가(Ground current)
-> 증폭도에 의해 출력에 전류 공급 -> Vout 전압 다시 증가
Solution for Power
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Linear Regulator 종류
Solution for Power
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Various LDO type
Solution for Power
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BIPOLAR VS CMOS
PASS DEVICE
 Bipolar
Pass Device Advantages
 Allows very low (down to 1V) or very high (up to
80V) Wide VIN operation.
 Faster transient response due to higher gm.

CMOS Pass Device Advantages
 Dropout voltage is linear with output current and
decreases to zero at no load.
 No additional VIN or GND pin DC current to drive
CMOS gate.
NPN/NMOS VS PNP/PMOS
PASS DEVICE

NPN/NMOS Pass Device
 Higher bandwidth and faster transient response.
 Higher frequency power supply rejection ratio (PSRR).
 Higher dropout voltage in single supply operation.
Requires dual supply operation for equivalent dropout
voltage performance as PNP/PMOS.

PNP/PMOS Device.
 Low dropout voltage performance with single supply
operation.
 Easier to provide reverse battery, reverse output protection
and reverse input-to-output protection with PNP.
 Note the feedback loop’s extra inversion compared with the
NPN/NMOS loop.
LDO의 특성
Solution for Power
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What is dropout?
Solution for Power
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Linear Regulator
Standard NPN Regulator
Darlington 구조로 출력
전류 최대 사용 가능 .
But
Dropout voltage 증가
Minimum Dropout Voltage = 출력 전압을 regulation 하기 위한
입력전압과 출력 전압의 최소 차이
Linear Regulator Minimum Dropout Voltage =
>1V
Solution for Power
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Linear Regulator
Load Current
Dropout voltage
Solution for Power
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Various Dropout
Solution for Power
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LDO(Low dropout) Regulator
PNP
Transistor or CMOS
Minimum Dropout Voltage
= can be 300mV
고정전압 제품의 경우 저항이
내장되어 있음
Solution for Power
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VLDO(Very Low dropout)
VLDO 50mV@ 300mA
Bipolar LDO : 300mV@150mA
CMOS LDO : 100mV@150mA
Solution for Power
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LDO specification
(LT1761 example)
Solution for Power
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LT1761 Low Noise LDO
Solution for Power
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Dropout vs Load
Load Current
Dropout voltage
Solution for Power
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Dropout vs temp.
Dropout voltage increased by load current & temperature
Solution for Power
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Line/Load regulation/transient
response
Solution for Power
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GND/SHDN pin current
Load 증가 시 GND current 증가( base current이기 때문)
Solution for Power
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LDO output Noise
Vin DC/DC ripple vs Vout LDO ripple
Power Supply Rejection Ratio
Solution for Power
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Power Supply Ripple Rejection Ratio
Solution for Power
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LDO output Noise
Low Noise LDO = ~ 20uVrms
VLDO = ~100uVrms
Noise 특성은 resistor thermal noise, TR
flicker noise LDO 자체의 특성임.
입력 전압의 range에는 관계없음.
Switching regulator > 10mV
다만 Dropout Mode로 동작 시 입력
Ripple 전압, 출력으로 그대로 보냄.
Solution for Power
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LDO의 효율 및 발열
Solution for Power
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IC의 동작온도
IC 의 package및 조건에 따른 동작온도는 Datasheet의
Operating Junction Temp range 보다는 낮아야 함.
온도가 넘을 경우 IC damage 또는 성능 Degrade가 나타남.
Solution for Power
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TJ / TC / TA
Solution for Power
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열 전달 과정
Solution for Power
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반도체 온도 상승 예측
Solution for Power
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반도체 온도 상승 예측
LTC Linear Charger의
Thermal performance 개선
Solution for Power
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반도체 온도 상승 예측
Pd (Power loss) 를 계산 한다
(Pd = Pin – Pout, Inductor loss, Diode loss고려)
TRISE = Pd x Rth j-a
Rth j-a = Rth (junction-case + case-heatsink + heatsink-Amb)
Package가 결정,
SMD/히트싱크부착
히트싱크면적에따라
(고정값)
(거의무시가능)
(Graph참조)
실제 측정될 온도 = Trise + Tamb
이 온도는 die 온도를 계산한 것으로 실제 Package 온도는 die 온도 보다 낮음
 계산한 온도는 IC 의 operating temperature 보다 낮아야 IC 사용가능!!
Solution for Power
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LDO 효율 및 발열 계산
Power Outx 100 = IOUT(VOUT) x 100
%Efficiency = Power In
(IIN+IGND)VIN
IIN
IOUT
VIN
VOUT
I GND
IGND=무시가능
즉, 입출력 전압비가 효율임
Solution for Power
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Device 온도 계산 - LDO
12V -> 3.3V@1A 일 경우
Pd (Power Loss)
= (Vin – Vout) X Iout
= (12-3.3)V X 1A = 8.7W
TRISE = Pd x Rth j-a = 8.7W X 35 C/W = 304C !!
외부 환경온도 75C 일 경우
Die 온도 = 75C + 304C = 379C
사용 불가!!
Solution for Power
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Device 온도 계산 - Switching regulator
12V -> 3.3V@1A 일 경우
출력 Watt = 3.3V X 1A = 3.3W 여기서 효율 90%
입력 Watt = 3.3W X 100/90 = 3.66W
Power loss =
= 3.66W - 3.3W = 0.36W
TRISE = Pd x Rth j-a = 0.36W X 40 C/W = 14.4C !!
외부 환경온도 75C 일 경우
Die 온도 = 75C + 14.4C = 89.4C
사용 가능!!
Solution for Power
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LDO vs Switching regulator
효율 80%이상
Linear regulator 변환 효율
Switching Regulator 사용시
- Vin= 7V Vout = 3.3V 일때
 47%
- Vin=12V Vout = 3.3V일때
27%
- Vin=12V Vout = 1.2V일때
13%
LDO는 효율 저하로 발열 문제 및
Battery 사용 시간 단축 문제를 안고 있음
스위칭 Loss 에 의한 효율저하
Solution for Power
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Special LDO
Solution for Power
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LT308x series – Vout down to 0V
Solution for Power
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LT308x series – parallel output
Solution for Power
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LT304x – Very low noise LDO
Solution for Power
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LDO vs Switching regulator
Why Charge Pump Circuits?
Benefits:
1. Simple & Low cost
2. Low noise/Low ripple/Low EMI
3. Fast Transient response
4. Low dropout with high efficiency
Penalties (compared to inductor-based PWM solutions) :
1. Low efficiency at Low duty and Heat problem
Solution for Power
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감사합니다.
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