1. 이 레귤레이터가 어디에나 쓰이는 이유

AMS1117-3.3은 소형 보드에서 "5 V에서 3.3 V가 필요하다"는 요구에 대한 기본 답이다. SOT-223 패키지의 3단자 저드롭아웃 레귤레이터로, 약 1 A 정격이며 3.3 V 고정 출력이고 두 개의 커패시터 외에는 외부 부품이 필요 없다.

그 단순함 덕분에 라우터, 개발 보드, 센서, 어댑터 및 산업용 컨트롤러에 등장한다. 또한 핀 배치가 단순하고 애플리케이션 회로가 공개되어 있으며 시장이 거대하기 때문에 세컨드 소스가 그렇게 많은 이유이기도 하다.

문제는 이 부품이 종종 열적 안전 영역 밖에서 사용된다는 점이다. 설계자는 데이터시트의 "1 A"와 12 V 입력을 보고 작동할 것이라고 가정한다. 하지만 작동하지 않으며, 고장은 즉각적인 결함이 아니라 느린 열적 고장이다.

2. LDO 교체에서 실제로 중요한 것

대부분의 대체 실패는 첫 번째 행이 아니라 세 번째와 네 번째 행에서 발생합니다. 전기적으로 호환되는 부품이라도 잘못된 커패시터와 함께 사용하면 발진할 수 있고, 열 경로가 다르기 때문에 20 °C 더 뜨겁게 동작할 수 있습니다.

3. 핀 호환 제품군

이들은 모두 동일한 SOT-223 풋프린트를 사용합니다: 핀 1은 접지(또는 조정 핀), 핀 2는 출력, 핀 3은 입력이며, 탭은 출력에 연결됩니다. 그렇기 때문에 기계적으로 상호 교환할 수 있습니다.

중요한 예외가 하나 있습니다: SPX3819 같은 부품도 3.3 V LDO이지만, 핀 배치가 다른 5핀 SOT-23 패키지에 들어 있습니다. 같은 카테고리에 속해 보이더라도 SOT-223 보드의 대체품이 아닙니다.

4. 모든 것을 결정하는 열 계산

선형 레귤레이터는 전압 차에 전류를 곱한 값을 열로 소산합니다: (Vin − Vout) × I. 이 전력은 패키지를 통해 빠져나가야 하는데, SOT-223은 작습니다.

이제 일반적인 SOT-223 열저항을 적용해 보자. 적당한 구리 면적에서 접합부-주위 열저항이 약 80 °C/W라면, 1.7 W의 소비 전력은 접합부 온도를 주위 온도보다 약 136 °C 높인다. 주위 온도가 40 °C이면 176 °C가 되며, 이는 최대 정격을 훨씬 초과한다.

0.5 W만으로도 따뜻해진다. 이것이 실제로 "1 A" 정격이 오해를 부르는 이유다. 이 정격은 넓은 구리 면적과 작은 전압 강하를 전제로 한다. 12 V에서 3.3 V로 변환할 때 실용적인 연속 전류는 기껏해야 수백 mA이며, 인클로저 내부에서는 종종 그보다도 적다.

드롭아웃은 열 설계 이야기의 나머지 절반이다. 입력이 출력 전압 쪽으로 떨어지면 레귤레이터는 레귤레이션을 벗어나고 출력은 입력에서 드롭아웃을 뺀 값을 따른다. 5 V 레일에서는 거의 문제가 되지 않지만, 배터리 레일에서는 설계의 전부다.

3.7 V 리튬 셀의 경우 300 mA에서 3.3 V LDO는 드롭아웃이 0.4 V 미만이어야 하며, 방전 말기 근처에서도 그 드롭아웃을 유지해야 한다. 대부분의 1 A LDO는 드롭아웃이 가장 커지는 정격 전류 전체에서 드롭아웃을 명시한다. 대표 수치가 아니라 실제 전류에서의 곡선을 확인하라.

구리 면적을 고려한 계산 예

5 V에서 3.3 V로 변환하는 0.5 A 레일을 가정하면 소비전력은 0.85 W이다. 80 °C/W에서는 접합부가 주변 온도보다 68 °C 상승한다. 주변 온도 25 °C에서는 허용 가능하지만, 인클로저 내부 50 °C에서는 여유가 거의 없다.

구리를 추가하면 수치가 빠르게 달라진다. 양면에 25 mm × 25 mm 구리 포어(pour)에 연결된 탭과 몇 개의 열 비아를 사용하면 유효 열저항을 50 °C/W에 더 가깝게 낮출 수 있다. 그러면 동일한 0.85 W에서 접합부가 약 43 °C 상승하여 충분히 여유가 있다.

교훈은 PCB도 레귤레이터의 일부라는 점이다. 동일한 부품을 사용하는 두 보드도 구리 면적만으로 30 °C 차이가 날 수 있으며, 레이아웃을 무시한 대체품 비교는 절반의 비교에 불과하다.

24 V 산업용 레일은 이 점을 명백하게 보여줍니다. 24 V에서 3.3 V로 100 mA만 흘려도 2 W 이상이 소모되며, 이는 SOT-223이 발산할 수 없는 열입니다. 이러한 모든 설계는 어떤 LDO를 사용하든 먼저 스위칭 단이 필요합니다. 그러면 LDO는 주 컨버터가 아니라 노이즈를 위한 후단 레귤레이터가 되며, 소비 전력은 10배만큼 감소합니다.

5. 선형 레귤레이터가 정답이 아닌 경우

입력이 출력의 약 두 배를 넘거나 부하가 수백 밀리암페어를 넘으면 스위칭 레귤레이터가 올바른 선택입니다. 이는 대체가 아니라 인덕터, 다른 피드백 네트워크, 다른 EMI 프로파일을 갖는 다른 토폴로지이지만, 열 계산을 견뎌내는 유일한 설계입니다.

일반적인 아키텍처는 2단 전원입니다. 12 V에서 5 V로 변환하는 벅 컨버터, 그다음 저잡음 아날로그 레일을 위해 5 V에서 3.3 V로 변환하는 LDO입니다. 이렇게 하면 LDO가 열적 안정 영역에 머물고 중요한 곳에서 저노이즈를 유지합니다.

이미 12 V 레일과 발열이 큰 3.3 V LDO가 있는 보드의 경우, 가장 저렴한 해결책은 종종 "더 나은" LDO를 찾는 것이 아니라 기존 LDO 앞에 소형 벅 모듈을 추가하는 것입니다.

고정형 대 가변형

고정 3.3 V 버전은 가장 단순한 선택입니다. 커패시터 두 개만 필요하고, 분배기가 없으며, 허용오차 누적도 없습니다. 가변 버전은 접지 핀을 피드백 노드로 대체하며 저항 두 개가 필요합니다.

여러 변형으로 복제될 보드의 경우, 가변 부품이 총비용에서 종종 우위를 차지합니다. 릴 하나로 1.2 V, 2.5 V, 3.3 V 빌드를 모두 커버할 수 있기 때문입니다. 대가는 배선해야 할 추가 노드와 다시 계산해야 하는 분배기이며, 기준 전압은 제품군마다 동일하지 않습니다.

미묘한 함정: 일부 가변 부품의 기준 전압은 1.25 V이지만 다른 부품에서는 다릅니다. 기준 설계에서 복사한 분배기는 기준 전압을 확인하지 않으면 5–10% 오차를 발생시킬 수 있습니다.

6. 핀 호환 부품이 차이를 보이는 부분

드롭아웃.최대 부하에서의 최소 입력 전압은 제품군마다 다르며, 전류가 증가함에 따라 상승합니다. 1.3 V 드롭아웃을 가진 부품은 방전 말기에 가까운 4.2 V 배터리에서 3.3 V를 레귤레이션할 수 없습니다.

대기 전류.일부 LDO는 무부하에서 밀리암페어를 소비하고, 다른 제품은 마이크로암페어를 소비합니다. 대부분의 시간을 슬립 상태로 보내는 배터리 제품에서는 이 차이가 에너지 예산을 좌우합니다.

커패시터 요구 사항.구형 LDO 설계는 최소 ESR이 필요하며 최신 세라믹 커패시터와 함께 사용하면 발진할 수 있습니다. 최신 부품은 세라믹에서 안정적입니다. 정전용량 값만 보지 말고 안정성 곡선을 확인하십시오.

열 저항.동일한 패키지라도 다이 접착과 리드 프레임 구조가 다를 수 있습니다. 동일한 풋프린트를 가진 두 부품은 동일한 소비전력에서 10–20°C 차이로 동작할 수 있습니다.

노이즈, PSRR 및 아날로그 레일

디지털 레일의 경우 노이즈는 무관합니다. 아날로그, RF 및 센서 레일의 경우에는 사양이 중요합니다. LDO의 출력 노이즈와 입력 리플을 억제하는 능력(PSRR)이 12비트 ADC가 깨끗한 기준 전압을 보는지 여부를 결정합니다.

PSRR은 주파수에 따라 감소합니다. 1 kHz에서 60 dB를 억제하는 부품이 100 kHz에서는 20 dB만 억제할 수 있으며, 이는 바로 스위칭 프리레귤레이터가 리플을 발생시키는 지점입니다. 해당 레일이 정밀 측정에 공급되는 경우 DC뿐만 아니라 업스트림 컨버터의 스위칭 주파수에서 PSRR 곡선을 확인하십시오.

출력 노이즈는 일반적으로 대역폭에 걸쳐 µV RMS로 규정됩니다. 대역폭을 비교하십시오: 10 Hz–100 kHz에 걸쳐 제시된 수치는 10 Hz–1 MHz에 걸쳐 제시된 수치와 비교할 수 없습니다.

커패시터 선택 및 안정성

LDO 안정성은 출력 커패시터의 ESR과 커패시턴스에 따라 달라집니다. 구형 설계는 최소 ESR을 요구하며(일반적으로 탄탈럼 또는 전해) 순수 세라믹 커패시터와 함께 사용하면 발진할 수 있습니다. 최신 부품은 세라믹용으로 설계되었으며 대신 최소 커패시턴스를 요구할 수 있습니다.

두 가지 실용적인 규칙이 있습니다. 첫째, 데이터시트의 권장 커패시터 값만 보지 말고 안정성 곡선을 읽으십시오. 둘째, 입력 커패시터를 장치 가까이에 두십시오. 긴 입력 트레이스는 인덕턴스를 더하고 출력 측이 올바르더라도 루프를 불안정하게 만들 수 있습니다.

대체품으로 인해 멀티미터에서는 문제없어 보이지만 저주파 발진이 있는 레일이 생성된다면, 커패시터를 첫 번째 용의자로 의심해야 합니다. 출력에서 오실로스코프로 AC 결합하여 수 밀리초 동안 확인하십시오.

7. 실용적인 테스트 계획

병렬 운전 및 전류 공유

선형 레귤레이터는 전류를 잘 공유하지 못합니다. AMS1117 두 개를 병렬로 연결해도 1.5 A 부하를 균등하게 분담하지 않으며, 출력 전압이 약간 더 높은 쪽이 열 드리프트로 균형이 바뀔 때까지 대부분의 전류를 담당합니다.

더 많은 전류가 필요하면 그에 맞는 정격의 부품이나 스위칭 컨버터를 사용하십시오. 각 출력에 작은 발라스트 저항을 직렬로 추가하면 전류 공유를 강제할 수 있지만, 전압 헤드룸과 안정성 마진을 희생하므로 3.3 V 레일에서는 거의 가치가 없습니다.

역전류 및 보호

출력이 입력보다 높게 구동될 수 있는 경우 — 예를 들어 입력이 제거된 후에도 하위 레일이 살아 있는 경우 — 전류가 레귤레이터를 통해 역방향으로 흐를 수 있습니다. 일부 LDO는 이를 허용하지만 다른 LDO는 그렇지 않습니다. 보드에 여러 전원이 있는 경우 역전류 사양을 확인하십시오.

입력과 출력 사이에 쇼트키 다이오드를 두면 역극성으로부터 보호되지만 누설 전류와 작은 전압 강하가 추가됩니다. 배터리 제품에서는 그 누설이 보호의 가치보다 더 중요할 수 있습니다.

세컨드 소스 간의 품질 차이

이 가격대에서 세컨드 소스는 설계만큼이나 공정 관리로 경쟁합니다. 가장 크게 달라지는 파라미터는 온도에서의 출력 전압 허용오차, 정격 부하 시 드롭아웃, 대기 전류입니다.

중요도가 낮은 디지털 레일에서는 이러한 차이가 거의 문제되지 않습니다. 센서나 무선 회로에 전원을 공급하는 레일에서는 문제가 될 수 있습니다. 25 °C 기준 대표값 대신 온도 곡선을 요청하고 최악 조건을 비교하십시오.

8. 비용 및 공급

이 레귤레이터는 몇 센트 수준이므로 가격 차이는 절대적으로 작습니다. 중요한 변수는 가용성, 패키징 및 추적성입니다.

세컨드 소스는 흔하며 일반적으로 중요도가 낮은 레일에는 허용됩니다. 아날로그 또는 RF 레일의 경우 노이즈와 PSRR을 특성화한 부품을 계속 사용하십시오. 저렴한 레귤레이터는 어떤 테스트도 실패하지 않으면서 측정 체인을 저하시킬 수 있기 때문입니다.

이 단계에서는 릴 수량과 날짜 코드가 단가보다 더 중요합니다. 저렴한 부품의 풀 릴이 원래 부품의 부분 릴보다 더 비쌀 수 있으며, 오래된 재고는 사용 전에 기능 검사가 필요합니다.

프리레귤레이터와 모듈

발열이 심한 LDO에 대한 가장 실용적인 해결책은 LDO 양단 전압을 낮추는 것입니다. 12 V에서 5 V로 변환하는 소형 벅 컨버터를 기존 3.3 V LDO 앞에 두면 손실을 절반 이상 줄이고 저잡음 레일을 유지할 수 있습니다.

기성 벅 모듈은 프로토타입에는 허용되지만 양산에는 적합하지 않습니다. 인덕터, 커패시터 및 열 설계를 알 수 없고, 모듈이 아무도 적격성 검증을 하지 않은 단일 소스 부품이 되기 때문입니다. 아키텍처가 확정되면 프리레귤레이터를 보드에 설계하십시오.

원래 부품을 유지해야 할 때

레일이 저잡음이거나 열 마진이 작거나 제품이 인증된 경우, 가장 저렴한 부품은 재검증할 가치가 없습니다. 이러한 경우에는 원래 부품을 유지하고, 세컨드 소스는 양산 변경이 아니라 보험으로만 사용하십시오.

9. FAQ

LM1117은 AMS1117-3.3의 직접 대체품인가요?

이들은 SOT-223 풋프린트와 핀 배열을 공유합니다. 드롭아웃, 정격 전류 및 커패시터 요구 사항이 다르므로 부하와 열 설계를 확인하세요.

이 패키지로 12 V 입력에서 3.3 V 출력으로 1 A를 공급할 수 있나요?

아니요. 이는 약 8.7 W의 전력 손실로, SOT-223이 처리할 수 있는 범위를 훨씬 넘습니다. 스위칭 레귤레이터가 필요합니다.

왜 제 LDO는 세라믹 커패시터와 함께 사용할 때 발진하나요?

일부 오래된 LDO 설계는 세라믹 커패시터가 제공하지 못하는 최소 ESR이 필요합니다. 세라믹 출력 커패시터에서 안정적이라고 명시된 부품을 선택하십시오.

더 낮은 드롭아웃이 항상 더 좋다는 의미입니까?

대개 그렇지만, 더 높은 대기 전류 또는 다른 안정성 요구 사항이 따를 수 있습니다. 해당 파라미터를 애플리케이션에 맞추십시오.

SOT-223 보드에 SOT-23-5 LDO를 대체하여 사용할 수 있습니까?

아니요. 패키지와 핀 배치가 다릅니다. 어댑터 또는 새로운 레이아웃이 필요합니다.

실용적인 전류 한도는 얼마입니까?

전압 강하와 구리 면적에 따라 다릅니다. 5 V에서 3.3 V 레일의 경우 열 한계가 지배하기 전까지는 수백 밀리암페어가 일반적입니다.

10. 출처

• TI LM1117 제품 페이지:ti.com
• Diodes AZ1117 문서:diodes.com
• MaxLinear SPX3819 문서:maxlinear.com