LM7805/LM2576의 차이(Linear Power Supply / SMPS)

LM7805와 LM2576의 차이

Power supply에는 크게 2가지의 종류가 존재한다.

LM7805, LM2576, LM2576(SMD)

1. Linear Power Supply (LPS) - 선형 레귤레이터

2. Switched Mode Power Supply (SMPS) - 스위칭 레귤레이터

 

LM7805는 LPS에 해당하고 LM2576은 SMPS에 해당한다.

흔히 7805와 2576은 Regulator로써 동작을 수행하게 되는데 흔히 레귤레이터의 역할은 $$ V_{in} $$ 전압보다

낮은  $$ V_{out} $$ 전압을 만들기 위한 용도로 사용된다.

 

Linear Regulator (선형 레귤레이터) 동작원리

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내부에 설계된 저항으로 전압을 떨어뜨리는 동작을 하게 되는데

이때 발생하는 전력 손실로 인하여 발열이 발생하게 된다.

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예를 들어 입력전압이 12V이고 출력전압이 5V 라면 레귤레이터 내부에 존재하는

저항 R의 좌측단에는 입력전압 12V 우측단에는 출력전압 5V가 걸리게 된다.

 

따라서 저항에는 7V의 전압이 걸리게 된다.

 

저항소자에 전압이 존재하므로 옴의 법칙에 의해 저항에는 전류 I 가 흐르게 된다.

이 전류 I를 통해 우리는 전력 손실에 대한 식을 유도할 수 있다.

 

$ p_{r}=(V_{in}-V_{out})\times I_{out} $

 

이때 $ (V_{in}-V_{out})  $ 이 위의 그림에서 나타나고 있는 7V의 전압이 되는 것이다.

 

위의 수식을 통해 입력전압이 3.3V이고 출력전압이 2.5V인 회로에서 부하전류가 1A 가 흐르고 있다면 저항에 흐르는 소비전력은 0.8W가 되는 것이다.

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이때 발생하는 전력손실은 저항에 열로 바뀌어서 나타나게 된다.

저항 R에서 전력손실이 발생함으로써 원하는 전압을 얻게 되는 것이다.

 

linear Regulator에서 저항값은 가변저항이라고 생각하면 된다.

 

즉 앞서 설명한 내부에 존재하는 저항으로 출력전압을 강하시켜 원하는 전압을 얻을 수 있고 부하 전류가 변함에 따라 저항값이 변동되어 원하는 전압을 유지하게 되는 것이다.

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예를 들어 12V 전압이 인가되었고 부하에서 5V 전압이 출력되었다면 나머지

7V 전압이 열로 바뀌는 것이다.

즉 변환되고 남은 전압은 Linear Regulator에서 열로 바뀐다는 것이다. 출력전압이 일정하므로 앞서 말한 소비전력이 열로 변환된 것이다.

 

우리는 열이 발생할 때 방열판을 추가로 부착하여 열을 식히는 방법을 알고 있다.

하지만 큰 크기의 전력을 다룰 경우에 Linear Regulator 에 대형 방열판을 부착하여 냉각하는 방직은 옳지 않다.

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큰 전력을 다루는 경우에는 DC-DC 컨버터를 사용하는 것이 일반적이며, Linear Regulator의 소비전력은 5W가 상한 값이고, 1W 아래에서는 냉각을 위한 방열판이 필요하지 않다.

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소비전력을 낮추기 위해서는 입력전압을 낮게 가져가는 방법과 출력전류를 작게 하는 방법이 존재한다.

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다만 출력전류의 경우 부하에 따라 변환되므로 입력전압을 가급적 낮게 설정하는 것이 좋다.

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따라서 Linear Regulaotor의 경우 효율이 낮다.

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장단점을 정리하면 다음과 같다.

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Linear Regulator의 경우 노이즈가 적고

회로가 간단하며 그로 인해 비용절감이

우수하지만 발열이라는 단점이 존재한다.

 

LM7805 데이터시트 분석

 

LM7805.PDF

0.23MB

 

 

 

 

Fairchild사에서 제작한 LM7805의 Features를 확인해 보면

출력 전류가 1A 임을 알 수 있다.

 

7805의 경우 5V의 출력을 가지는 레귤레이터지만 78XX 시리즈에 따라 24V 출력까지 나타나는 것을 데이터시트를 통해 확인할 수 있다.

7805는 크게 3가지로 나눌 수 있는데 

출력전류정격 (Output Current rating)에 따라 다시 나눌 수 있다.

 

1. 78 L05 (Output Current up to 100mA) 

2. 78 M05 (Output Current up to 500mA) 

3. 7805 (Output Current up to 1A) 

 

 

Fairchild 사의 7805는 2개의 Package 타입으로 제공된다. TO-220 type , D-PAK tyep

D-PAk type 은 SMD (Surface Mount Device)로 주로 PCB 기판 표면에 실장 하고자 할 때 사용된다.

 

LM7805의 특성을 나타내고 있는 차트이다.

출력전압과 Peak Current 등 다양한 값이 나타나있다.

그중 Quiescent Current (콰이센트 전류)는 대기모드에서의 전류량을 의미한다.

 

 

Switching Regulator (스위칭 레귤레이터) 동작원리

 

Switching Regulator의 경우 노이즈가 Linear Regulator에 비해 많고

회로가 복잡하며 그로인해 비용문제가 있지만 발열 부분에서 큰 장점을 가진다.

PCB에서 발열은 큰 신뢰성을 차지하기 때문에 발열은 해결되어야 할 문제이다.

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LM2576 데이터시트 분석

LM2576.pdf

0.28MB

 

 

 

 

LM2576의  특징은 위와 같다.

 

 

LM2576의 회로도이다.

점선으로 테두리쳐져 있는 부분이 LM2576의 내부 회로 블록다이어그램을 나타내고 있으며 LM2576-ADJ 타입의 경우 R2저항값의 변화를 통해 Output voltage를 선택하여 사용할 수 있다는 장점이 있다.

 

LM2576 Fixed version의 경우 출력전압은 5V 출력전류는 3A임을 확인할 수 있다.

LM2576의 경우 Linear Power supply에 비해 효율이 좋다는 장점을 가지는데 이는 열로 전압을 강하시키는 7805에 비해 스위칭을 통해 ON/OFF를 반복하기 때문이다.

 

스위칭으로 인해 발생하는 손실에는 크게 두 가지 종류가 있는데

 

1. 스위칭 손실 (Switching loss)

2. 전도 손실 (Conduction loss)

 

손실에 대해서는 추후 자세히 다루도록 하겠다.

위의 그림에서 점선 부분을 제외한 우측 부분은 DC-DC Converter의  일종인 Buck 컨버터와 동일한 구조를 가지고 있다.

Buck Converter 또한 Step-Down Conveter로 전압을 낮추는 용도로 사용되는 컨버터이다.

실제 Buck Converter에서는 점선부분이 MOSFET (스위치)으로 대체되는데 즉 MOSFET 대신 LM2576이 삽입됨으로써 우리가 원하는 전압을 출력할 수 있는 것이다.

 

Buck Converter Circuit