전압을 낮추는 두 가지 방식: LDO와 스위칭 레귤레이터

전원 회로의 선택, 효율을 좌우하는 결정

전자제품을 설계할 때, ‘전원을 어떻게 설계할 것인가’는 가장 기본적이면서도 가장 까다로운 문제입니다. 특히 12V나 5V와 같은 입력 전압을 받아, 내부에서 3.3V나 1.2V 등 다양한 전압으로 낮춰야 할 경우, 설계자는 반드시 두 가지 옵션 중 하나를 선택해야 합니다. 바로 LDO(Low Dropout Regulator)를 쓸지, 아니면 Switching Regulator(스위칭 레귤레이터)를 쓸지입니다.

표면적으로는 LDO가 더 단순하고 노이즈도 적지만, 실무에서는 대부분 Switching Regulator가 선택됩니다. 그 이유는 단순한 전압 변환이 아닌, 전력 효율, 발열, 공간, EMI, 전류 용량까지 모든 요소를 고려한 결정이기 때문입니다.

이번 글에서는 왜 많은 엔지니어들이 LDO 대신 스위칭 레귤레이터를 사용하고 싶어 하는지, 두 부품의 구조적 차이와 실무 설계에서의 영향, 그리고 상황별 선택 기준까지 구체적으로 설명드리겠습니다.

 

 

LDO – 구조는 간단하지만 효율은 낮다

LDO는 가장 기본적인 선형 전압 조정 방식입니다. 높은 입력 전압에서 필요한 전압만큼만 ‘떨어뜨리는’ 방식으로 동작하며, 회로 구조는 비교적 단순합니다. 출력 전압은 매우 안정적이고, 리플 노이즈도 적기 때문에 아날로그 회로나 노이즈 민감한 회로에 자주 사용됩니다.

하지만 LDO의 가장 큰 단점은 전력 효율이 매우 낮다는 것입니다. 예를 들어 12V 입력에서 3.3V를 만들고, 1A의 전류를 공급한다면, 나머지 전력(즉, (12V - 3.3V) x 1A = 8.7W)은 그대로 열로 소모됩니다. 즉, 단순한 LDO 하나로 인해 열이 발생하고, 방열판이 필요하거나 제품 온도가 올라가는 문제가 발생합니다.

이러한 발열은 단순히 제품 신뢰성을 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 제품 외형(방열 구조), 수명, 인증 통과율 등에 영향을 미치게 됩니다. 그래서 실제 회로 설계자들은 가능한 한 LDO 사용을 줄이고, 더 효율적인 전원 변환 방식을 찾으려 합니다.

Switching Regulator – 복잡하지만 강력한 효율

스위칭 레귤레이터는 인덕터와 스위칭 소자를 이용해 전압을 낮추는 방식으로 동작합니다. Buck(강하형), Boost(승압형), Buck-Boost(혼합형) 등 다양한 구조가 있으며, 내부적으로는 고속 스위칭을 통해 평균 전압을 조절하는 개념입니다.

이 방식의 가장 큰 장점은 바로 전력 효율이 매우 높다는 것입니다. 이상적인 스위칭 레귤레이터는 80~95%의 효율을 보여줄 수 있으며, 입력 전압과 출력 전압의 차이가 크더라도 발열이 거의 없습니다. 이는 배터리 기반 제품이나 고전력 시스템에서 에너지 손실을 최소화할 수 있는 결정적인 장점입니다.

물론 스위칭 방식 특성상 리플 노이즈와 EMI가 존재하며, 회로 설계와 레이아웃에 대한 고민이 많아집니다. 하지만 최근에는 내부 보정 회로, EMI 저감 기술, 고효율 컨트롤러 IC들이 출시되면서 이 문제도 상당 부분 개선되었습니다.

 

 

실무에서 LDO가 쓰이는 상황은?

그렇다면 LDO는 언제 쓰일까요? 모든 상황에서 스위칭 레귤레이터가 정답은 아닙니다. LDO는 다음과 같은 상황에서 여전히 최적의 선택이 됩니다.

1. 노이즈 민감한 회로: RF 회로, 아날로그 센서, ADC/DAC 등은 LDO의 깨끗한 출력 전압이 매우 유리합니다.
2. 낮은 전압 강하 조건: 입력과 출력의 전압 차가 0.3V 이하일 경우, 스위칭 회로보다 LDO가 더 간단하고 효과적일 수 있습니다.
3. 저전력 대기 회로: LDO는 대기 전류가 적고, 소형화가 쉬워 저전력 설계에 적합합니다.

하지만 전체 회로에서 LDO를 주 전원으로 사용하는 경우는 거의 없고, 스위칭 레귤레이터로 1차 전압을 만들고, LDO로 세부 회로를 안정화하는 방식이 일반적입니다.

 

 

실제 회로 예시: 스위칭 + LDO 하이브리드 구성

많은 상용 제품은 스위칭 레귤레이터와 LDO를 조합해서 사용합니다. 예를 들어, 입력 전원이 12V이고, 회로 내에 5V 디지털 회로와 3.3V 센서가 있는 경우를 생각해보겠습니다.

• 12V → 5V는 Buck 컨버터를 사용해 고효율 전환
• 5V → 3.3V는 LDO를 사용해 노이즈를 억제

이런 방식은 전력 손실을 최소화하면서도 각 회로에 필요한 특성을 충족시켜줍니다. 설계자는 전류 소모가 많은 회로에는 스위칭 레귤레이터를, 민감하거나 저전류 회로에는 LDO를 배치하여 전체적인 발열, 효율, 노이즈, 크기를 동시에 조절할 수 있게 됩니다.

 

 

설계자가 고려해야 할 선택 기준

실제 제품 설계 시, 전원 회로를 선택할 때는 아래와 같은 요소를 반드시 고려해야 합니다:

• 전압 강하량: 입력 전압과 출력 전압의 차이가 클수록 스위칭이 유리
• 출력 전류량: 전류가 클수록 LDO는 발열이 급격히 증가
• 발열 설계: 히트 싱크 없이도 안정 작동 가능한지 확인
• 노이즈 요구사항: 아날로그 회로나 RF 회로 여부
• 보드 크기: 스위칭 회로는 부품이 더 많고 인덕터 공간이 필요함
• EMI 요구사항: FCC 등 인증을 고려한 전자파 차폐 설계 필요

이러한 요소들을 종합적으로 분석하고 시뮬레이션한 뒤, 적절한 전원 구성을 선택하는 것이 실무 전력 설계의 핵심 역량입니다.

 

 

이제는 효율 중심의 전원 설계가 답이다

기술이 고도화될수록 제품은 작아지고, 전력 소비는 줄어들기를 요구받고 있습니다. 더 이상 단순히 ‘전압을 낮추는 방법’만으로는 좋은 설계를 만들 수 없습니다. 이제는 얼마나 효율적으로, 얼마나 안정적으로 전력을 전달하는가가 핵심 기준이 되었으며, 이 기준을 충족시키는 것이 바로 스위칭 레귤레이터입니다.

물론 모든 회로에 스위칭이 정답은 아니고, 상황에 따라 LDO가 필요한 부분도 분명히 존재합니다. 하지만 실무에서 전반적인 전력 전략을 구성할 때, 스위칭 기반 설계는 선택이 아니라 필수에 가까워졌습니다. 전원 회로 하나의 선택이 제품 전체의 발열, 수명, 크기, 인증 통과 여부에 영향을 줄 수 있다는 점에서, 전력 설계는 그 자체로 제품 경쟁력을 좌우하는 핵심 기술임을 잊지 말아야 합니다.