스위칭 전원과 리니어 전원회로의 불량 원인 및 대책 - 3.▣ 트러블 사례 ▣

[리페어센터]

▣ 3단자 레귤레이터의 출력전압이 상승하지 않는다.

1. 증상

외장부품의 수가 아주 적어도 되는 3단자 레귤레이터는 손쉽게 안정적인 전압을 얻기 위해 널리 사용되고 있다. 그러나 손쉬운 만큼 안이한 사용 방법에 기인한 트러블도 많은 것 같다.

여기서는 3단자 레귤레이터의 출력전압이 상승하지 않는 트러블에 관하여 살펴보기로 한다.

2. 원인

(1) 내장 보호회로가 동작하고 있다.

3단자 레귤레이터 IC에는 IC 자체가 파손되지 않도록 다음과 같은 3개의 보호회로가 내장되어 있다.

① 과대한 입력전압에 대한 보호회로

② 과대한 출력전류에 대한 보호회로

③ 과대한 발열에 대한 보호회로

3단자 레귤레이터의 출력전압이 상승하지 않는 트러블의 원인은 상기의 보호회로 가운데 어떤 것이 동작하고 있을 가능성이 매우 높다.

(2) 원인 추적 순서

① 문제를 입력 측과 출력 측으로 나눈다.

먼저 3단자 레귤레이터 자체에 파손 등의 이상이 없다고 하자. 그렇다면 출력 전압이 발생하지 않는 원인은 반드시 다른 데 있다. 구체적으로는 ‘3단자 레귤레이터의 입력측, 출력 측 어딘가에 문제가 있다’라고 상정할 수 있을 것이다.

즉, 문제점을 3단자 레귤레이터의 입력측과 출력측으로 나우어 생각한다.

② 부하를 분리해본다.

먼저 3단자 레귤레이터의 출력과 부하와의 접속을 분리해본다. 이것으로 출력측의 문제는 없어졌다. 이 상태에서도 출력전압이 발생하지 않는다면 원인은 입력측에 있다고 추정할 수 있다.

그래서 이번에는 3단자 레귤레이터의 입력전압을 측정해 보기로 한다. 사용하고 있는 3단자 레귤레이터의 규정된 동작범위 이내로 했는가?

③ 부하전류를 조사해본다.

입력측에 문제가 없다면 출력측을 조사한다. 이 경우는 부하전류를 측정한다. 그렇다고 해서 3단자 레귤레이터를 접속한 상태에서 측정하면 안된다. 츨력 전압이 나와있지 않으므로 그러한 측정은 의미가 없다. 다른 DC전원을 준비하여 실험한다.

이 때 정상상태 뿐만아니라 전원 투입시의 과도적인 전류도 측정된다. 부하에 따라서는 상승 전원전압이 낮을 때 대 전류가 흐르는 경우도 있다.

어떤 상태라도 부하전류는 3단자 레귤레이터의 정격 출력전류 이상이어서는 안된다. 과전류 보호회로가 동작해버린다. 발열이 많아 과열 보호회로가 동작하고 출력을 OFF해버린다.

④ 발열을 조사해본다.

과대입력도 아니고 과전류도 아니라고 하면 다음에는 3단자 레귤레이터 자체의 발열이다. 이 증상인 경우, 전원을 ON한 직후에는 출력전압이 발생한다. 잠시후, 3단자 레귤레이터의 온도를 측정하기 바란다. 상당히 가열되어 있을 것이다.

3.

대책1 - 과대 입력 전압의 보호회로가 동작하고 있었을 경우

앞서 3단자 레귤레이터의 입력전압을 측정했다. 정격보다 너무 낮은 경우 당연히 효과가 없다. 정격보다 너무 높은 경우에는 전술한 과대 입력 전압 보호회로가 동작하고 있다. 이 경우에는 입력 전압이 적정범위로 되도록 한다. 아래그림은 3단자 레귤레이터의 집력 측에 전압하강용 트랜지스터 Tr1을 외장하여 대응한 회로이다.

uPC78M05A (NEC 일렉트로닉스)인 경우, 최대 입력전압은 35V이지만 이 회로에서는 40V까지 입력할 수 있다.

다시 설계하는 것이므로 입력 전압은 규정된 전압을 최악의 조건에서 밑돌지 않을 정도로 낮게 하여 사용하는 것이 3단자 레귤레이터를 능숙하게 사용하는 방법이라 볼 수 있다. 위의 그림에서는 ZD1의 전압 선택방법이 포인트이다.

4.

대책2 - 과전류 보호회로가 동작하고 있었을 경우

과전류 보호회로가 동작하면 그 3단자 레귤레이터는 원하는 회로에 사용할 수 없다. 78시리즈의 3단자 레귤레이터에서는 출력전류가 0.1A, 0.5A, 1A 등과 같이 다양하게 준비되어 있으므로 1랭크 출력 전류가 큰 타입으로 교환하기 바란다.

출력 전류가 1A 타입에서도 부족할 것 같으면 아래와 같은 전류 부스트 회로를 외장한다.

이 회로는 3단자 레귤레이터의 1A출력을 2A까지 부스트한다.

5.

대책3 - 과열 보호회로가 동작하고 있었을 경우

이 대책은 하나밖에 없다. 방열 핀을 부가하는 것이다. 열 계산을 정확하게 하여 적절한 방열 핀을 선택한다.

▣ 3단자 레귤레이터가 발진 한다

1. 증상

사실 한 마디로 3단자 레귤레이터가 발진한다고 해도 오실로스코프로 정확히 인식할 수 있는 경우부터 거의 깨닫지 못할 정도인 경우까지 현상은 다양하다. 또 상온에서는 문제가 없었는데 저온에서 발진하는 경우를 경험한 적도 있다.

2. 원인 추측 순서

(1) 발진 유무를 확인한다.

3단자 레귤레이터의 발진이 의심스러운 현상이 생겼을 경우, 먼저 오실로스코프로 확인한다. 가능하다면 스펙트럼 애널라이저로 관측할 것을 권장한다. 이로써 3단자 레귤레이터가 발진하고 있는가의 여부를 판별할 수 있을 것이다. 먼저 발진 유무를 정확하게 확인하는 것이 대책의 첫걸음이다.

(2)입력측과 출력측으로 나누어 상정한다.

일반적으로 말한다면 3단자 레귤레이터와 같이 피드백이 걸린 회로에서는 보데선 그림을 그려 위상 마진을 60°이상 잡도록 설계하면 발진하지 않는다.

그러나 현실적으로 3단자 레귤레이터의 내부로 파고들어 위상보정할 수는 없다.

여기서는 ‘3단자 레귤레이터 내부는 그러한 설례로 되어 있다’라고 하자. 즉, 3단자 레귤레이터 자체를 의심하는 것이 아니라 거기에 접속하는 회로와의 관계로 발진한 것이라 보는 것이다. 접속하는 회로는 입력과 출력밖에 없으므로 역시 입력측과 출력측으로 나우어 상정하기로 한다.

3.

원인1 - 입력 측 배선 인덕턴스와 3단자 레귤레이터 내부의 기생용량에 의한 발진

3단자 레귤레이터 입력측에 콘덴서는 들어있는가? 실제 회로에 있어서는 아래 그림과 같이 3단자 레귤레이터에 전력을 공급하는 전원과 3단제 레귤레이터 사이의 배선이 존재한다.

이 배선이 길면 그 배선 인덕턴스와 3단자 레귤레이터 내부의 기생용량으로 발진할 가능성이 있다.

4. 원인 1의 대책 - 입력측 콘덴서를 최단거리로 접속한다

3단자 레귤레이터의 입력측에 콘덴서를 외장한다. 용량값은 엄밀하지는 않다.

78시리즈의 3단자 레귤레이터라면 0.33u~0.47uF 정도의 세라믹 콘덴서, 79시리즈에서는 3.3u~4.7F정도의 OS콘센서를 추천한다.

무없보다 중요한 포인트는 콘센서의 리드선을 최단거리로 3단자 레귤레이터에 접속하는 것이다. 최단거리는 5mm이하로 하기 바란다.

78시리지와 79시리즈에서 3단자 레귤레이터의 입력 측 콘덴서가 다른 이유는 무엇인가. 답은 아래와 같은 등가회로에 있다.

특히 79시리즈에 주목하면 이른바 컬렉터 출력형의 회로구성으로 되어있다. 이것은 3단자 레귤레이터 가운데에서도 ‘저 손실형’ 또는 ‘저 포화형’이라 불리고 있는 타입과 같은 회로 구성이다.

저 손실형에 대해서도 약간 언급하기로 한다. 마이너스 출력 타입은 판매되고 있지 않으므로 플러스 출력 타입으로 한정한다.

저 손실형의 발진을 방지하기 위해서는 출력측에 100u ~ 220uF의 콘덴서가 필요하다.

5.

원인2 - 출력측 콘덴서와 3단자 레귤레이터의 출력 임피던스에 의한 폴에서 발진한다.

3단자 레귤레이터의 출력측에서도 콘덴서는 들어있나? 3단자 레귤레이터 단체에서는 10KHz정도 이상의 주파수에서 출력 임피던스가 상승하므로 출력측에소 콘덴서를 외장하여 사용하는 것이 일반적이다.

실은 이 출력측에 외장하는 콘덴서가 문제이다 아래 그림의 콘덴서 C0과 3단자 레귤레이터의 출력 임피던스가 Z0가 폴을 만들어버린다. 이것이 3단자 레귤레이터 발진의 주요 원인이다.

6. 원인 2의 대책 - 출력측 콘덴서도 최단거리로 접속한다.

폴의 발생에 의한 발진을 방지하려면 출력 측의 콘덴서 C0의 RESR과 C0에 의해 위상 지연을 리턴시키는 움직임이 있기 때문이다. 거기에는 일반 알루미늄 전해 콘덴서가 적합하다. 콘덴서의 최적값은 78시리즈/78시리즈 모두 10u~47uF 정도일 것이다.

7. 보호 다이도으도 잊지 말자

안정성 향상이나 발진 방지를 위해 3단자 레귤레이터의 출력측에 큰 용량의 콘덴서를 외장한다는 것은 이미 전술했다. 그 때 전원 OFF시 3단자 레귤레이터를 파손시키지 않도록 보호 다이오드를 넣어두는 것을 잊어서는 안된다.

아래 그림에서 D1이 이를 위한 다이오드이다.

[처음처럼]

좋은자료 감사 드립니다 ~~