네거티브 전압 레일 설계를 위한 부품 살펴보기

대부분의 최신 전자 장치는 3.3V 또는 5V와 같은 단순한 포지티브 전원 공급 회로에서 작동합니다. 그러나 완전한 양극 신호 스윙, 균형 잡힌 바이어싱 또는 특정 아날로그 성능이 필요한 다양한 최신 응용 제품들에서는, 설계자들이 익숙하지 않은 네거티브 전압 레일을 사용해야 하는 경우도 있습니다.

대부분의 IC(마이크로 컨트롤러, 프로세서, 디지털 센서, 메모리 등)는 단일 포지티브 전원 공급 레일에서 작동합니다. Arduino와 같은 업체에서 제공하는 개발 기판은 대부분 포지티브만 사용하는 전력에 의존합니다. 전력 관리 IC(PMIC)는 일반적으로 단일 배터리 또는 어댑터 입력으로부터 다중 포지티브 레일을 생성하는 것을 목표로 개발됩니다.

그러므로, 일부 설계자들은 네거티브 전압을 오래된 전자 기술에서 사용되던 것으로 생각하기도 합니다. 그러나 네거티브 전압은 신호 조정, 계측, 센서 인터페이스, 데이터 변환, 정밀 연산 증폭기 회로 등 다양한 아날로그 및 혼합 신호 응용 분야에서 여전히 필수적입니다. 네거티브 레일이 필요한 경우와 그 이유를 이해하면 설계의 가능성을 넓힐 수 있을 뿐 아니라, 치명적인 실수를 방지할 수도 있습니다.

다음과 같은 특정 설계의 경우, 정상적이며 효율적인 작동을 위해 네거티브 전압 레일이 필요합니다.

• 연산 증폭기 구성으로 구현된 센서 신호 조정 회로는 신호가 지면 아래로 내려갈 수 있도록 하기 위해 네거티브 레일이 필요합니다.
• RS-232와 같은 기존의 통신 인터페이스는 논리 레벨 신호 전송을 정상적으로 수행하기 위해 포지티브와 네거티브 전압이 모두 필요합니다.
• 오디오 및 계측 증폭기는 헤드룸을 개선하고 왜곡을 줄이며 선형성을 높이기 위해 양극 전원 공급 장치를 사용하는 경우가 많습니다.
• 최신 MEMS 센서와 광 다이오드는 최적의 정확도와 성능을 위해 소량의 네거티브 바이어스 전압에 의존할 수 있습니다.

성공적인 설계의 핵심 요소

일부 설계자들은 네거티브 전압이 구형 시스템이나 고전압 시스템에만 사용된다고 생각할 수 있지만, 오늘날의 설계에서 사용되는 많은 정밀 센서, 증폭기 및 바이어싱 회로는 최적의 성능을 발휘하기 위해 소량의 네거티브 전압 공급(보통 매우 소량)이 필요합니다.

공간과 전력이 제한적인 혼합 신호 시스템의 경우, 단일 포지티브 레일로부터 청정의 효율적인 네거티브 전압을 생성하는 능력은 설계의 성공에 결정적인 요소가 될 수 있습니다.

일반적인 오해 중 하나는 네거티브 전압을 생성하기 위해 항상 대형 변압기나 복잡한 이중 공급 전력 시스템이 필요하다는 것입니다. 실제로는, 최신 IC인 충전 펌프와 반전 조정기 등은 소형 저전력 설계에서도 단일 포지티브 전원으로부터 네거티브 레일을 생성하는 것을 단순화합니다.

일반적인 오류 중 하나는 모든 회로에서 지면을 절대 제로 전압 레퍼런스로 간주하는 것입니다. 분할 또는 양극 전원 공급 장치에서 '접지'는 단순히 포지티브와 네거티브 사이의 중간점(예: ±15V)을 의미하며, 고정된 절대적인 0이 아닙니다. 그러나 분리형 시스템에서는 각 회로가 자체적인 접지 레퍼런스 가질 수 있으며, 모든 회로가 서로 연결되어 있다고 가정하면 설계 오류가 발생할 수 있습니다.

또 다른 설계 오류는 회로 전체에서 '접지'가 항상 동일한 의미를 갖는다고 가정하는 것입니다. 접지는 단순히 기준점일 뿐이며, 그 의미는 전원 공급 장치 설정이나 분리 경계에 따라 달라질 수 있습니다. 이 오해로 인해 아날로그 설계에서 문제가 발생할 수 있습니다. 특히, 전압 레퍼런스가 실제 회로 접지와 제대로 맞추어지지 않으면 연산 증폭기나 센서가 예상대로 작동하지 않을 수 있습니다. 분리형 또는 양극 전원 시스템에서 접지를 보편적인 0V로 간주하면 신호 오류, 잡음 문제, 또는 하드웨어 고장이 발생할 수 있습니다.

네거티브 레일에 대한 이해가 부족하면 중요한 레이아웃 고려 사항을 간과하게 될 수 있습니다. 예를 들어, 적절한 반환 경로, 효과적인 감결합 및 잡음 분리 등이 포함됩니다. 이는 불안정성 또는 아날로그 성능 저하로 이어질 수 있습니다. 예를 들어, 포지티브 및 네거티브 전원 공급이 모두 존재할 경우 적절한 반환 경로는 더 복잡해집니다. 접지는 더 이상 가장 낮은 전위점이 아니며, 부주의한 배선은 접지 루프나 의도하지 않은 전류 경로를 생성할 수 있습니다.

감결합 커패시터는 포지티브 및 네거티브 회로 모두에 전략적으로 배치되어야 하며, 전압 리플과 과도 전압 스파이크를 최소화하기 위해 낮은 유도 용량 연결을 갖춰야 합니다. 혼합 신호 시스템에서는 디지털 스위칭 잡음이 공통 접지 또는 전력면을 통해 민감한 아날로그 회로에 유입될 수 있어 잡음 분리가 더욱 어렵습니다. 세심한 분할, 필터링, 그리고 전류 흐름에 대한 명확한 이해가 부족할 경우, 전원 공급 장치로 인해 발생하는 불안정성, 잡음 또는 드리프트로 인해 정밀한 아날로그 프론트 엔드의 장점이 상쇄될 수 있습니다.

이러한 문제를 조기에 인식하면 신호 클리핑, 낮은 작동 범위, 설계 재작업 등을 방지할 수 있으며, 이는 더 넓은 설계 가능성을 열어주고 치명적인 실수를 방지할 수도 있습니다.

설계자들은 시스템 복잡성, 출력 전류 요구 사항, 효율성 요구 사항에 따라 단일 포지티브 레일으로부터 네거티브 전압을 생성하기 위해 여러 가지 검증된 방법을 사용할 수 있습니다. Analog Devices, Inc.(ADI)는 다양한 경험 수준의 설계자들이 네거티브 전압 생성을 간편하게 구현할 수 있도록, 단순한 충전 펌프부터 고성능 스위칭 조정기에 이르는 광범위한 솔루션 포트폴리오를 제공합니다.

충전 펌프 조정기

공간 제약이 있는 설계에서 소량의 네거티브 레일이 필요한 경우(예: 연산 증폭기 바이어싱 또는 센서 신호 레퍼런스) LTC1983 저드롭아웃 충전 펌프는 외부 커패시터 3개만 필요합니다(그림 1).

그림 1: LTC1983 충전 펌프 컨버터 응용 제품으로, 최대 100mA에서 -3V를 공급합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

LTC1983은 포지티브 입력의 극성을 반전시켜 조정된 네거티브 전압을 생성하므로, 최대 100mA의 전류를 요구하는 저전류 아날로그 레일을 구동하는 데 매우 적합합니다. 이 제품은 저전력 응용 분야에 적합하며, 예를 들어 연산 증폭기 바이어싱, 센서 오프셋 조정 또는 공간 제약이 있는 시스템에서의 소량 아날로그 부하 등에 사용됩니다. 인덕터가 필요하지 않아 레이아웃이 더 간편하지만, 유연성, 효율성, 출력 잡음 성능이 저하됩니다.

더 높은 유연성과 효율성을 위한 더 강력한 LTC3265는 단일 전원 공급으로부터 포지티브 및 네거티브 가변 레일을 모두 생성할 수 있는 이중 출력 충전 펌프입니다(그림 2). 통합형 저잡음 LDO 조정기를 탑재하여 높은 정밀도와 낮은 리플로 최대 ±100 mA를 공급하므로, 혼합 신호 설계, 정밀 계측, 산업용 센서 인터페이스 등에 매우 적합합니다.

그림 2: LTC3265를 사용한 회로 설계는 저잡음 LDO 조정기를 통합하여 단일 12V 입력으로부터 ±15V 출력을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

LTC3265는 LTC1983에 비해 비율 조정 성능, 잡음 관리, 고성능 아날로그 서브 시스템과의 통합 측면에서 훨씬 더 넓은 헤드룸을 제공하며, 깨끗한 전원 공급과 신뢰성이 필수적인 경우 더욱 적합한 선택입니다.

벅-부스트 컨버터

더 높은 출력 전류나 더 높은 효율이 필요할 때, 반전 벅 부스트 컨버터는 효율적이고 신뢰성 있는 솔루션을 제공합니다. 이 회로는 입력 전압을 반전시키고 이를 네가티브 출력으로 조절하며, 일반적으로 넓은 입력/출력 범위와 우수한 효율성을 갖추고 있습니다. ADI의 LTC3863은 -150V까지 네거티브 출력 전압을 생성할 수 있는 견고한 반전 컨트롤러이므로, 산업용 및 통신 시스템에 이상적입니다.

LT8624S는 무음 스위처로, 반전 모드로 구성되어 초저 EMI를 갖춘 고효율 네거티브 레일을 제공할 수 있습니다. 잡음에 민감한 아날로그 도메인에 특히 적합합니다.

양극 연산 증폭기 또는 센서 바이어싱 요구 사항에 적합한 또 다른 옵션은 ADP5076입니다. 이 이중 출력 스위칭 조정기는 단일 입력으로부터 동시에 포지티브 및 네거티브 레일(예: +12V와 -12V)을 생성합니다.

분리된 네거티브 전압 발생

안전, 잡음 내성 또는 기능적 격리가 필요한 응용 제품(예: 산업용 I/O, 의료용 계측, 또는 자동차 시스템)은 분리된 네거티브 전압 생성이 필요합니다. 변압기 기반 DC-DC 컨버터는 일반적으로 플라이백(Figure 3) 또는 푸시-풀 토폴로지를 사용하며, 분리 장벽을 통해 에너지를 전달하고 입력 측과 전기적으로 분리된 네거티브 전압을 생성합니다.

그림 3: 이 회로도는 다중 출력 권선을 갖춘 일반적인 플라이백 컨버터를 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

LT3758은 부스트, SEPIC(단일 종단 일차 인덕터 컨버터), 플라이백 및 반전 토폴로지를 위한 고성능 DC/DC 컨트롤러입니다. 이 장치는 플라이백 변압기를 사용하여 분리된 네거티브 레일을 생성하도록 구성할 수 있으며, 최대 100V까지 조정 가능한 네거티브 출력 전압을 공급할 수 있습니다. 광 커플러가 필요하지는 않지만, 그런 경우 비조정 네거티브 전압이 발생합니다. 출력 단계에 네거티브 입력 LDO 조정기를 추가함으로써 조정형 네거티브 전압을 얻을 수 있습니다.

기판 공간이 제한적이고 유연성이 필수적인 다중 레일 응용 제품에서는 설계자들이 ADI의 LT8471을 선택할 수 있습니다. 이 다목적 이중 채널 컨트롤러는 각 채널을 부스트, 벅 부스트, SEPIC 또는 플라이백으로 독립적으로 구성할 수 있습니다. 따라서 다양한 출력 전압 조합이 가능합니다(포지티브 및 네거티브 모두). 예를 들어, 한 채널은 +12V를 생성하고 두 번째 채널은 -12V를 생성할 수 있습니다. 또는 한 채널은 +24V로 부스트로 구성되고 두 번째 채널은 -5V로 분리된 플라이백으로 구성될 수 있습니다. 이로 인해 설계자는 회로 기판 공간과 재료 사용을 줄일 수 있습니다.

일부 응용 제품, 특히 파워 MOSFET를 구동하는 응용 제품에서는 안전하고 효율적인 스위칭을 위해 네거티브 게이트 구동 전압이 필요합니다. ADuM4120은 게이트-소스 단자에 네거티브 전압을 적용할 수 있도록 하는 분리형 게이트 구동기로, 고측 스위칭 또는 하프브리지 설계에 특히 유용합니다(그림 4).

그림 4: 이 회로 설계에서 ADuM4120은 양극 전원 공급 구성을 구동합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

시장 출시 시간과 기판 공간이 중요한 경우, 설계자는 ADI의 µModule 조정기를 활용하여 네거티브 레일 설계를 간소화할 수 있습니다. LTM4655는 완전히 통합된 반전 벅 부스트 µModule 조정기로, 두 개의 완전히 독립적인 출력 채널을 갖추고 있으며, 조정형 네거티브 또는 포지티브 출력으로 구성될 수 있습니다.

결론

많은 사물 인터넷(IoT) 장치, 산업용 센서, 정밀 기기, 심지어 의료 장비에서는 포지티브와 네거티브 전압 회로를 모두 필요로 합니다. 적절한 토폴로지를 선택함으로써(단순성을 위해 충전 펌프를 사용하든 효율성을 위해 스위처를 사용하든) 설계자는 최신 시스템에 네거티브 전압을 통합할 수 있으며, 이 과정에서 복잡성은 크게 증대되지 않습니다. ADI의 광범위한 제품 포트폴리오와 참조 설계를 활용하면 설계자들이 자신 있게 작업할 수 있습니다.