인프런 커뮤니티 질문&답변

안녕하세요, 답변 남겨드립니다.

회로 설계 시 자주 등장하는 “Light Load”와 “Heavy Load”의 개념은 명확한 정량적 기준이 있는 용어라기보다는, 회로의 부하 조건을 상대적으로 표현하기 위해 사용되는 용어입니다. 일반적으로 아래와 같은 방식으로 이해하시면 됩니다.

Light Load란 출력 부하 전류(Load Current)가 작고, 그에 따라 부하 저항(Load Resistance)은 크며, 회로가 거의 전류를 소비하지 않는 상태를 의미합니다. 반대로 Heavy Load는 출력 부하 전류가 크고, 부하 저항은 작아 회로가 많은 전류를 소비하는 상태입니다.

예를 들어, Pass Transistor 또는 LDO 같은 회로에서, 출력 노드에 연결된 부하가 10 kΩ 이상이면 일반적으로 Light Load 조건, 10 Ω 이하이면 Heavy Load로 간주할 수 있습니다. 만약 부하 전류의 범위가 10 uA ~ 10 mA라면, Light Load는 수십 uA 정도, Heavy Load는 수 mA 이상으로 설정하는 것이 일반적입니다.

여기서 중요한 점은, 해당 Load 조건은 회로가 동작할 수 있는 최소/최대 전류 조건을 기반으로 설정되어야 하며, 특히 출력 Stage가 동작할 때의 Pass Transistor의 동작 영역(선형 vs 포화)을 고려하여 정해져야 한다는 것입니다. 예컨대 Pass NMOS의 경우 V_DS가 작아지는 Heavy Load 조건에서는 선형 영역에 들어가기 쉬우며, 이때 전류가 많이 흐릅니다. 반대로 V_DS가 큰 Light Load에서는 포화 영역에 머무르기 쉬워 전류 흐름이 제한적입니다.

시뮬레이션에서 이런 그래프가 나오지 않는 이유는 몇 가지 가능성을 고려해볼 수 있습니다.

첫째, 회로에서 Pass Transistor가 항상 선형 영역에 머물러 있다면 Load에 따른 출력 변화가 충분히 크지 않을 수 있습니다. 즉, Gate 전압이 충분히 크지 않아 항상 선형 영역에 머무는 경우입니다.

둘째, 설정한 Load Current가 회로가 제공할 수 있는 동작 한계보다 작거나 커서 전압 강하가 제대로 발생하지 않을 수 있습니다. 예를 들어 회로가 최대 5 mA를 공급할 수 있는데 10 mA 부하를 걸었다면 출력 전압은 급격히 떨어질 수 있으며, 반대로 1 uA의 부하에서는 거의 무부하 상태와 같아 전압 변화가 거의 없습니다.

셋째, Pass Transistor의 W/L 비, Bias 조건이 충분히 설정되어 있지 않다면 동작 범위가 좁아져, 부하 조건 변화에 따른 특성이 희미해질 수 있습니다.

실무 예시로 설명드리자면, 전원 IC를 설계할 때 “Line/Load Regulation” 테스트를 진행합니다. 이때 Load Regulation 측정을 위해 일반적으로 Light Load로 1 mA 또는 100 uA, Heavy Load로 100 mA 또는 500 mA까지 설정하며, 전압 변화(예: 3.3V -> 3.28V)를 측정해 전압 강하(ΔV)를 수치화합니다. 이러한 조건은 회로 성격(Analog Regulator, Digital Driver, RF Bias 등)에 따라 조정되며, 부하 전류 범위의 하위 5~10% 구간을 Light Load, 상위 80~100% 구간을 Heavy Load로 보는 경우가 많습니다.

따라서 본인의 시뮬레이션 회로에서 원하는 그래프를 얻으시려면, 회로의 공급 능력을 정량적으로 분석한 후, 그 범위를 기준으로 Light/Heavy Load의 경계를 정하고 조건을 설정하셔야 합니다. 출력 전압의 변화 폭이 크게 관찰될 수 있도록 TR의 바이어스를 조정하고, 부하 전류의 절대값 역시 실현 가능한 수준으로 설정하는 것이 중요합니다.

안녕하세요, 인프런 AI 인턴입니다. han님.

Light Load와 Heavy Load의 정의는 흔히 전력 변환 회로나 LDO(Low Dropout Regulator) 설계에서 매우 중요한 개념입니다. 일반적으로:

• Light Load: 출력에서 전류가 적게 흐르는 상태를 의미합니다. 이는 회로가 부하 조건에서 거의 에너지를 소모하지 않는 경우를 나타내며, 보통 대기 모드 또는 저전력 모드로 간주됩니다.

• Heavy Load: 출력에서 전류가 많이 흐르는 상태로, 회로가 최대 부하 조건에서 작동하는 것을 의미합니다. 이는 일반적으로 최대 출력 전력 또는 최대 전류 소모를 시뮬레이션할 때 사용됩니다.

Light/Heavy Load 상태를 시뮬레이션할 때, Pass Transistor(PMOS 또는 NMOS)가 Saturation 영역에서 동작하도록 보장하는 것이 중요합니다. 이는 Load Current의 변동에 따라 올바른 전압 레귤레이션을 달성하기 위한 필수 조건입니다.

현재 문제가 발생한 부분은, 삼코치님의 회로를 사용 중임에도 불구하고 Saturation 조건을 만족하지 못하는 것 같습니다. 여기서 주의할 점은 다음과 같습니다:

1. Transistor Biasing: 각각의 Pass Transistor가 모든 부하 조건에서 Saturation 영역을 유지할 수 있도록 충분한 게이트 전압을 확보하고 있는지 확인하십시오. 무효한 게이트 전압 설정은 전류 공급 문제를 일으킬 수 있습니다.

2. Simulation Setup: 시뮬레이션 환경에서 설정한 Load Conditions이 충분히 실제 상황을 반영하고 있는지 검토해 보세요. 이는 Load Current를 충분히 넓은 범위에서 변조하면서 Pass Transistor의 동작점을 모니터링해야 함을 의미합니다.

3. Feedback Loop: 로드가 달라짐에 따라 내부 피드백 루프가 정상적으로 작동되고 있는지 검토하세요. 비정상적인 피드백이 Gain 및 Phase에 영향을 미칠 수 있습니다.

해당 이미지에 나와 있는 것과 같은 그래프를 얻기 위해선 올바른 피드백 설정 및 회로 구성 요소가 필요합니다. 더 구체적인 시뮬레이션 및 회로 정보를 제공할 수 있다면, 보다 자세한 분석을 통해 문제 해결에 도움을 드릴 수 있습니다.

추가적으로, Light/Heavy Load에 대한 깊은 이해를 위해 이전 질문들과 답변을 참고하실 수도 있습니다:
- ​Light/Heavy Load 이해를 위한 유사 질문과 답변

저는 질문자님의 이해를 돕고자 지식공유자님의 기존 답변을 참고하여 유사한 답변 링크를 추천해드리고 있습니다.
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