글 / 토니 암스트롱(Tony Armstrong), 아나로그디바이스(Analog Devices), www.analog.com
스위치 모드 전원장치 디자이너들은 스위치 모드 전원장치가 설계하기가 얼마나 복잡하고 까다로운지 잘 알 것이다.
그런데 안타깝게도 많은 회사들에서 이러한 설계를 할 수 있는 디자이너가 점점 줄어들고 있다. 그렇다면 이러한 문제를 어떻게 해결할 것인가?
모든 전원장치 디자인에서 PCB 레이아웃은 성공과 실패를 판가름할 만큼 중요하다. 이 레이아웃에 따라서 기능성, 전자기 간섭(EMI), 열 동작이 좌우될 수 있다. 스위칭 전원장치 레이아웃은 쉽지 않은 작업인데, 흔히 설계 작업의 마지막으로 미뤄지고는 한다. 하지만 EMI로 인해서 발생될 수 있는 위험을 시작 단계에서부터 확실하게 차단한다면 더 손쉽게 잡음이 적고 안정적인 전원장치를 달성할 수 있다.
스위치 모드 전원장치 디자이너들은 스위치 모드 전원장치가 설계하기가 얼마나 복잡하고 까다로운지 잘 알 것이다. 그런데 안타깝게도 많은 회사들에서 이러한 설계를 할 수 있는 디자이너가 점점 줄어들고 있다. 은퇴를 하고 업계에서 물러나고 있는 것이다. 그렇다면 이러한 문제를 어떻게 해결할 것인가?
이에 대한 한 가지 해결책으로서, 스위치 모드 전원장치 설계를 갈수록 더 디지털 디자이너에게 맡기고 있다. 이 일을 할 수 있는 아날로그 전원장치 디자이너가 충분하지 않기 때문이다. 대부분의 디지털 디자이너들이 간단한 선형 레귤레이터를 설계하는 것은 할 수 있을 것이다. 하지만 모든 전원 요구가 스텝다운(벅 모드)은 아니다. 실제로 많은 경우에 스텝업 모드(부스트)이거나 벅-부스트 토폴로지(벅 모드와 부스트 모드 조합)일 수 있다.
그렇다면 많은 전자 시스템 회사들이 직면한 과제가 무엇인지는 확실하다. 자사 시스템에서 필요로 하는 모든 스위치 모드 전원장치 회로를 어떻게 완성할 것인가 하는 것이다.
설계 자원 부족 문제
이 글에서는 먼저 벅 레귤레이터의 기본적인 동작 원리를 설명한다. 스위처 핫루프에서 높은 di/dt와 기생 인덕턴스가 어떻게 전자기 잡음과 스위치 링잉을 일으키는지 설명한다. 또한 고주파수 잡음을 낮추려면 어떻게 해야 할지 설명한다. ADI의 Power by Linear™ Silent Switcher® 기술에 대해 소개하고, 이 제품을 사용함으로써 어떻게 EMI 문제를 해결할 수 있는지 설명한다.
또한 Silent Switcher 패키징과 레이아웃에 대해서 설명하고, 이를 통해서 어떻게 스텝다운 컨버터의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있는지 설명한다. 또 Silent Switcher 기술을 μModule® 레귤레이터로 통합함으로써 더 높은 집적도를 달성하고 있다는 것을 설명한다. 그럼으로써 스위치 모드 전원장치 설계에 있어서 전문적이지 않은 고객들을 위해서 간편하면서도 사용하기 편리한 솔루션을 제공한다.
기본적인 벅 레귤레이터 회로
가장 기본적인 전원장치 토폴로지는 그림 1에서 보는 것과 같은 벅 레귤레이터이다. EMI는 di/dt가 높은 루프로부터 비롯된다. 전원 와이어뿐만 아니라 부하 와이어로도 ac 전류 흐름이 높지 않아야 한다. 그러려면 입력 커패시터 C2가 출력 커패시터 C1으로 모든 필요한 ac를 공급해야 한다.
그림 1에서 온(on) 사이클이면 M1이 닫히고 M2가 열리는데, 이 때는 ac가 파란색 실선 루프를 따라서 흐른다. 오프 사이클에는 M1이 열리고 M2가 닫히며, ac는 녹색 점선 루프를 따라서 흐른다. 대부분 사람들이 이해하기 어려운 것이, 높은 EMI를 발생시키는 루프가 파란색 실선이나 녹색 점선이 아니라는 것이다. ac 스위칭은 빨간색 점선 루프로만 일어난다. 다시 말해서 전류가 0에서 피크가 되었다가 다시 0이 된다. 이 빨간색 점선 루프를 흔히 핫루프라고 한다. ac와 EMI 에너지가 가장 높기 때문이다.
스위처 핫루프에서의 높은 di/dt와 기생 인덕턴스가 전자기 잡음과 스위치 링잉을 발생시킨다. 그러므로 EMI를 낮추고 성능을 향상시키기 위해서는 빨간색 점선 루프의 복사 효과를 되도록 줄여야 한다. 만약에 빨간색 점선 루프의 면적을 0으로 줄이고 임피던스가 0인 이상적인 커패시터를 구할 수 있다면 문제는 해결될 것이다. 하지만 현실적으로는 설계 엔지니어가 최적의 타협점을 찾아야 한다.
그렇다면 이러한 고주파수 잡음을 발생시키는 원인은 무엇인가? 전자 회로에서는 스위칭 전이가 기생 저항, 인덕터, 커패시터를 통해서 결합됨으로써 고주파수의 고조파를 발생시킨다. 잡음이 어디에서 발생되는지 알았다면, 그 다음에는 이러한 고주파 스위칭 잡음을 어떻게 낮출 것인가? 잡음을 낮추기 위한 전통적인 방법은 MOSFET 스위칭 에지를 늦추는 것이다. 이것은 내부 스위치 드라이버를 느리게 하거나 외부적으로 스너버를 추가해서 할 수 있다.
하지만 이렇게 하면 스위칭 손실이 증가함으로써 컨버터효율을 감소시킨다. 특히 스위처를 2MHz 같은 높은 스위칭 주파수로 실행할 때는 더 그렇다. 그렇다면 왜 2MHz로 실행하는가? 여기에는 몇 가지 이유가 있을 수 있다.
- 커패시터나 인덕터 같은 외부 부품을 크기가 작은 것을 사용할 수 있다. 예를 들어서 스위칭 주파수를 두 배로 하면 인덕턴스 값과 출력 커패시턴스 값을 절반으로 할 수 있다.
- 자동차 애플리케이션에서는 2MHz로 스위칭함으로써 AM 라디오 대역으로 잡음을 피할 수 있다
필터와 차폐를 사용할 수도 있다. 하지만 이 방법은 외부 부품이나 회로 보드 면적에 있어서 비용을 증가시킨다. 확산 스펙트럼 주파수 변조(SSFM)를 사용할 수도 있다. 이 기법은 알려진 대역에서 시스템 클록을 방해할 수 있으나, EMI 표준 요건을 통과하기 위해서 유용하다. 이 기법을 사용하면 주파수 영역에 걸쳐서 EMI 에너지를 분산시킬 수 있다. 하지만 스위칭 주파수를 AM 대역(530kHz~1.8MHz)을 피하도록 선택한다고 하더라도, 완화되지 못한 스위칭 고조파가 유기되어 여전히 AM 대역에서 엄격한 자동차 EMI 요건을 위반할 수 있다.
그렇기는 하지만 SSFM을 사용함으로써 AM 대역뿐만 아니라 여타 대역들로 EMI를 크게 줄일 수 있다.
또 다른 방법은 ADI의 Silent Switcher 기술을 사용하는 것이다. Silent Switcher를 사용함으로써 다음과 같이 어떤 측면도 희생할 필요 없이 위에서 언급한 문제를 해결할 수 있다.
- 높은 스위칭 주파수
Silent Switcher 기술
Silent Switcher 디바이스를 사용하면 EMI와 효율 사이에 절충할 필요가 없다. 스위치 에지 레이트를 늦출 필요가 없기 때문이다. 어떻게 그럴 수 있는가? 그림 2의 왼쪽은 LT8610이다. LT8610은 42V 입력이 가능한 모노리딕(FET 통합) 동기 벅 컨버터로서, 최대 2.5A의 출력 전류를 제공할 수 있다. 이 디바이스는 왼쪽 상단에 입력 핀(VIN)이 하나라는 것을 알 수 있다.
그런데 LT8610과 비교해서 LT8614(42V 입력 가능 모노리딕 동기 벅 컨버터로서 최대 4A 출력 전류 제공)는 VIN 핀과 접지 핀이 패키지 양쪽에 각각 두 개씩이라는 것을 알 수 있다. 바로 이 점이 잡음이 적은 “silent” 스위칭을 가능하게 하는 것이다.
Silent Switcher를 가능하게 하는 것
그렇다면 이것은 어떻게 가능한가? 그것은 바로 칩 양쪽에서 VIN 핀과 접지 핀 사이에 2개 입력 커패시터를 사용해서 자기장을 상쇄시키는 것이다. 그림 3에서 커패시터 위치를 빨간색 화살표로 표시하고 있다.
LT8614의 특징
LT8614는 Silent Switcher 기술을 적용한 제품으로서, 구리 기둥 플립칩 패키징을 사용해서 기생 인덕턴스를 낮추고 있다.
또한 패키지 양쪽에서 VIN, 접지, 입력 커패시터를 사용해서 자기장을 상쇄함으로써(오른손 법칙 적용) EMI 방사를 낮춘다.
패키지 기생 인덕턴스를 낮추는 것은 와이어 본드 어셈블리 기법의 긴 본드 와이어를 제거함으로써 가능해졌다. 이 본드 와이어는 기생 저항과 인덕턴스를 유도시킨다. 핫루프에서 반대되는 자기장들이 서로 상쇄됨으로써 이 전기 루프로 자기장이 유입되지 않는다.
LT8614 Silent Switcher 레귤레이터를 최신 스위칭 레귤레이터 LT8610과 비교해 보았다. GTEM 셀에서 두 제품에 대해서 표준 데모 보드로 동일한 부하, 동일한 입력 전압, 동일한 인덕터로 테스트를 실시했다. 시험 결과, LT8610도 이미 EMI 성능이 매우 우수하지만, LT8614를 사용함으로써 20dB의 향상을 이룰 수 있는 것으로 나타났다. 특히 관리하기 어려운 고주파수 대역에서 그랬다. 그러므로 LT8614를 사용함으로써 더 단순하고 컴팩트한 디자인을 달성할 수 있다. 다른 민감한 시스템들과 비교해서 필터링을 줄이고 간격을 덜 띄워도 되기 때문이다. 또한 시간 도메인에서 LT8614는 스위치 노드 에지에서 매끄러운 동작을 나타낸다.
향상된 Silent Switcher 디바이스
LT8614도 이미 충분히 성능이 우수하지만, 성능 향상은 여기서 멈추지 않는다. LT8640 스텝다운 레귤레이터 역시 Silent Switcher 아키텍처를 적용한 제품으로서, EMI/EMC 방사를 최소화할 뿐만 아니라 최대 3MHz 주파수에서도 높은 효율을 제공한다.
3mm×4mm QFN으로 전력 스위치와 모든 필요한 회로를 통합한 모노리딕 구조로서, PCB 풋프린트를 최소화할 수 있는 솔루션을 제공한다. 과도 응답이 마찬가지로 뛰어나며, 0에서부터 최대 전류까지 모든 부하에서 출력 전압 리플이 10mVp-p 미만이다. 또한 LT8640은 높은 주파수라 하더라도 높은 VIN에서 낮은 VOUT으로 변환을 할 수 있으며 최소 상단 스위치 온 시간이 30ns로 빠르다.
EMI/EMC를 향상시키기 위해서 LT8640을 확산 스펙트럼 모드로 동작할 수 있다.
이 모드는 20%의 삼각 주파수 변조를 사용해서 클록을 조절한다. 확산 스펙트럼 주파수 변조 모드이면 삼각 주파수 변조를 사용해서 스위칭 주파수를 RT에 의해서 프로그램 된 값과 이보다 약 20% 높은 값 사이로 조절한다. 이 변조 주파수는 약 3kHz이다. 예를 들어서 LT8640을 2MHz로 프로그램 하면, 3kHz 레이트로 주파수가 2MHz에서 2.4MHz 사이로 조절된다. 확산 스펙트럼 동작을 선택하면, Burst Mode 동작은 정지되고 펄스 스킵핑 모드나 강제 연속 모드로 실행된다.
그런데 Silent Switcher 데이터 시트에서 회로도 및 권장 레이아웃과 양쪽에서 입력 커패시터를 되도록 IC에 가깝게 해야 한다는 점을 비롯해서 모든 것들을 설명함에도 불구하고 여전히 실수하는 고객들은 있다. 이런 고객들의 PCB 레이아웃을 교정하기 위해서 담당 엔지니어들이 너무나 많은 시간을 빼앗겨야 했다. 이 문제를 해결하기 위해서 개발된 똑똑한 솔루션이 Silent Switcher 2 아키텍처이다.
Silent Switcher 2 기술은 새로운 LQFN 패키지로 VIN 커패시터, IntVCC, 부스트 커패시터 같은 커패시터를 통합함으로써 커패시터를 핀에 되도록 가깝게 할 수 있다. 모든 핫루프와 접지 플레인을 내부로 포함시키고 있으며, 그럼으로써 EMI를 낮출 수 있다. 더 적은 외부 부품을 필요로 하므로 솔루션 풋프린트를 줄일 수 있다. 또한 PCB 레이아웃 민감성을 제거한다.
그림 5에서는 LT8640과 LT8640S의 회로도가 어떻게 다른지 알 수 있다. 커패시터를 내부로 통합한 이 새로운 제품은 제품번호 끝에 “S”를 붙이고 있다. 이것은 1세대 제품보다 더 “silent”하다는 것을 뜻한다.
Silent Switcher 2 기술은 더 우수한 열 성능을 달성한다. LQFN 플립칩 패키지의 여러 개의 큰 접지 노출 패드가 패키지로부터 열을 빼내서 PCB로 전달한다. 또한 저항이 높은 본드 와이어를 제거함으로써 변환 효율이 더 높다. LT8640S의 EMI 성능은 CISPR 25 클래스 5 한계 요건을 충분한 여유를 두고 충족한다.
Silent Switcher 2 μModule 레귤레이터
한발 더 나아가서 Silent Switcher 기술의 우수성을 μModule 레귤레이터 제품 라인까지 통합했다. 이 폼팩터는 단일 패키지로 모든 것을 통합함으로써 단순성, 신뢰성, 성능, 높은 전력 밀도 측면에서 뛰어나다. LTM8053과 LTM8073은 마이크로모듈 레귤레이터로 거의 모든 것을 통합함으로써 외부에 소수의 커패시터와 저항만을 필요로 한다.
Silent Switcher 기술을 활용함으로써 스위치 모드 전원장치 디자인에서 CISPR 32와 CISPR 25 같은 다양한 잡음 내성 표준 요건을 수월하게 충족할 수 있다. 이것을 쉽고도 효과적으로 할 수 있는 것은 다음과 같은 점들 때문이다:
- 변환 효율에 최소한으로 영향을 미치므로 2MHz 이상의 스위칭 주파수로 높은 변환 효율을 달성할 수 있다.
- 내부에 바이패스 커패시터들을 통합함으로써 EMI 복사를 낮추고 솔루션 풋프린트를 줄인다.
- Silent Switcher 2 기술을 사용함으로써 PCB 레이아웃 민감성을 근본적으로 제거할 수 있다.
- 선택적인 확산 스펙트럼 변조 기법을 사용함으로써 잡음 민감성을 완화할 수 있다.
- Silent Switcher 디바이스를 사용함으로써 PCB 면적을 절약하고 필요한 층 수를 줄일 수 있다.
토니 암스트롱(Tony Armstrong(tony.armstrong@analog.com))은 Analog Devices의 Power by Linear 제품 그룹의 제품 마케팅 이사입니다. 전원 변환 및 관리 제품에 대해서 출시부터 단종까지 전반을 책임지고 있습니다. ADI 전에는 Linear Technology, Siliconix, Semtech, Fairchild Semiconductors, Intel에서 다양한 마케팅, 영업, 운영 직책을 거쳤습니다. 영국 맨체스터 대학에서 응용수학 학사학위를 취득했습니다.
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