홍라이프 계산기LDO 레귤레이터 발열 계산 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
LDO(저드롭아웃)를 포함한 선형 레귤레이터는 입력과 출력의 전압 차이를 내부 패스 트랜지스터가 떠안는 방식으로 일정한 낮은 전압을 만듭니다. 그 전압 차이에 부하 전류를 곱한 만큼이 그대로 열이 됩니다. 부품, 패키지, 방열판을 정하기 전에 레귤레이터가 허용 온도 안에서 동작하는지 확인할 때 씁니다.
계산 방법
- 소비 전력: P = (V_in − V_out) × I이며 단위는 W입니다.
- 접합 온도: T_j = T_a + P × θ_JA입니다. θ_JA(°C/W)는 데이터시트의 접합-주위 열저항이고 T_a는 주변 공기 온도입니다.
- 효율: η = V_out / V_in × 100%입니다.
레귤레이터 자체의 접지 전류(대기 전류)는 부하 전류보다 훨씬 작다고 보고 무시합니다.
원리
선형 레귤레이터는 부하 전류 전부를 입력에서 출력으로 흘려보내므로, 입력 전력은 V_in × I, 출력 전력은 V_out × I이고 그 차이가 열이 됩니다. 칩에서 빠져나가는 열의 흐름은 저항을 흐르는 전류와 비슷하게 다룰 수 있습니다. 전압이 전류 × 저항이듯 온도 상승은 전력 × 열저항입니다. θ_JA는 칩에서 패키지와 기판을 거쳐 공기로 나가는 경로 전체를 하나로 묶은 값이라 패키지 종류와 주변 동박 면적에 따라 크게 달라집니다.
예제 풀이
- 입력값: V_in = 12 V, V_out = 5 V, I = 0.2 A, θ_JA = 50 °C/W, T_a = 25 °C입니다.
- P = (12 − 5) × 0.2 = 1.4 W입니다.
- 온도 상승은 1.4 × 50 = 70 °C입니다.
- T_j = 25 + 70 = 95 °C이며, 열 점검 결과는 OK (< 125 °C)입니다.
- 효율은 5 / 12 = 41.67%입니다.
| 입력 (V) | 소비전력 (W) |
|---|---|
| 3 | -0.4 |
| 6 | 0.2 |
| 9 | 0.8 |
| 12 | 1.4 |
| 15 | 2 |
| 18 | 2.6 |
| 24 | 3.8 |
결과 해석
접합 온도 95 °C는 대부분의 레귤레이터가 허용하는 약 125 °C보다 30 °C 낮으므로, 주변 25 °C에서는 무리가 없습니다. 식을 거꾸로 쓰면 허용 전력을 구할 수 있습니다. P_max = (125 − 25) / 50 = 2 W이므로 7 V 강하에서는 약 0.29 A까지만 흘릴 수 있습니다. 같은 부품에 0.5 A를 흘리면 3.5 W가 발생해 200 °C에 이르고 열 차단 보호가 동작합니다. 입력 전압을 낮추거나, 방열판과 동박 면적을 늘려 θ_JA를 줄이거나, 벅 컨버터로 바꾸는 방법이 있습니다. 가장 높은 주변 온도에서도 여유가 남도록 설계해야 합니다.
흔한 실수
- 드롭아웃 전압만 보고 최대 입력 전압에서의 발열을 계산하지 않습니다.
- 데이터시트의 θ_JA를 어느 기판에나 그대로 적용합니다. 이 값은 특정 시험 기판에서 측정한 것이라 작은 기판에서는 훨씬 커질 수 있습니다.
- 실제로는 더운 함체 안에 들어갈 부품을 상온 기준으로 계산합니다.
자주 묻는 질문
LDO의 '저드롭아웃'은 무슨 뜻인가요?
입력과 출력의 차이가 수백 mV 정도로 작아도 전압을 유지할 수 있다는 뜻입니다. 전압 차이가 클 때의 발열을 줄여 주지는 않습니다.
θ_JA를 낮추려면 어떻게 하나요?
방열 패드가 있는 패키지를 쓰고, 동박 면적과 서멀 비아를 늘리거나, 방열판을 달거나, 공기 흐름을 좋게 합니다.
효율 41.67%는 정상인가요?
네. 선형 레귤레이터의 효율은 부품과 관계없이 대략 V_out/V_in이므로 12 V에서 5 V로 낮추면 입력 전력의 절반 이상이 버려집니다.
출처: Texas Instruments, Semiconductor and IC Package Thermal Metrics, Application Report SPRA953 · JEDEC JESD51 series, Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages