통합 전력 모듈을 사용하여 DC/DC 잡음, 효율성 및 레이아웃 문제를 해결하는 방법

10V(일반) 이하의 저전압 및 약 2A ~ 15A 사이의 중간 전류 레벨을 위한 기본 강압(벅) DC/DC 조정기를 제작하는 것은 어렵지 않아 보입니다. 설계자는 적합한 스위칭 조정기 IC를 선택하고 규격서 또는 응용 참고 사항에 나오는 예제 회로를 사용하여 몇 가지 수동 소자 부품을 추가하기만 하면 됩니다. 하지만 실제로 설계가 완료되고 파일럿 운영 또는 생산 단계로 전환할 준비가 되셨습니까? 아마도 그렇지 않을 겁니다.

조정기는 원하는 DC 레일을 제공하지만 여전히 몇 가지 잠재적인 문제가 있습니다. 첫째, 효율성이 프로젝트 목표 또는 조정기 요구 사항을 충족하지 못해서 열 영향이 가중되고 배터리 수명이 단축될 수 있습니다. 둘째, 적절한 시동, 과도 성능, 낮은 리플을 보장하기 위해 부품을 추가해야 할 수 있습니다. 그러면 크기, 출시 시간, 전체 부품 명세서(BOM)에 영향을 미치게 됩니다. 마지막으로, 설계가 다양한 규정에 정의되는 점점 더 엄격해지는 전자파 장해(EMI) 또는 무선 주파수 간섭(RFI) 관련 제한 사항을 충족하지 못해서 다시 설계하거나 추가적인 부품 및 테스트가 필요할 수도 있습니다.

이 기사에서는 효율성, 낮은 방사 및 리플 잡음, 전체 통합에 대한 요구 사항을 충족하거나 초과하는 우수한 DC/DC 조정기 설계와 기본 DC/DC 조정기 설계 사이의 기대치와 성능 간 격차에 대해 설명합니다. 그런 다음 Analog Devices의 Silent Switcher µModules를 소개하고 이 모듈을 사용하여 다양한 DC/DC 벅 조정기 문제를 해결하는 방법을 알아봅니다.

언뜻 보기에는 쉬워 보이는 IC

강압 DC/DC (벅) 조정기는 DC 레일을 제공하는 데 널리 사용됩니다. 일반 시스템에 동일한 전압에서 다양한 레일 전압 또는 물리적으로 분리된 레일을 제공하는 수십 개의 벅 조정기가 사용될 수 있습니다. 이러한 벅 조정기는 일반적으로 5V DC ~ 36V DC 사이의 높은 전압을 수신한 후 한 자리 또는 낮은 두 자릿 암페어의 단일 볼트 값으로 강압합니다(그림 1).

그림 1: DC/DC 조정기(컨버터)의 역할은 간단합니다. 즉, 배터리나 정류되고 필터링된 AC 라인에서 비정격 DC 소스를 수신한 후 엄격한 정격 DC 레일을 출력으로 제공합니다. (이미지 출처: Electronic Clinic)

기본 벅 조정기를 구성할 때 좋은 소식과 나쁜 소식이 있습니다. 좋은 소식은 명목상 '충분한' 성능을 제공하는 벅 조정기를 제작하는 것이 일반적으로 어렵지 않다는 것입니다. 단일 전계 효과 트랜지스터(FET)(혹은 전혀 필요 없음)와 몇 가지 수동 소자 부품만 있으면 대규모 작업을 수행할 수 있는 많은 스위칭 IC가 있습니다. 조정기 IC용 규격서에는 회로도가 포함된 일반적인 응용 회로, 기판 레이아웃, 부품 벤더명과 부품 번호를 제공하는 BOM이 거의 항상 표시되므로 작업이 훨씬 쉬워집니다.

엔지니어링 문제는 일부 명확하지 않은 조정기 성능 파라미터와 관련하여 '우수한' 성능이 적절하지 않을 수도 있다는 것입니다. 출력 DC 레일은 적절한 라인/부하 조정 및 과도 응답으로 충분한 전류를 공급할 수 있지만, 이러한 요소는 전력 레일 이야기의 시작에 불과합니다.

현실은 이러한 기본 성능 기준 이외에 조정기는 다른 요소에 의해서도 평가됩니다. 그중 일부는 외부의 필요성에 의해 주도됩니다. 대부분의 조정기에서 해결해야 하는 세 가지 중요한 문제는 비정격 DC 입력을 수신한 후 정격 DC 출력을 제공하는 기능 블록의 단순한 관점에서만 볼 때 반드시 드러나는 것은 아닙니다. 세 가지 문제는 다음과 같습니다(그림 2).

• 냉각: 높은 효율성과 그에 따른 최소 열 영향
• 정적: 오류 없는 시스템 성능을 위한 낮은 리플, 방사 소음 표준을 충족하기 위한 낮은 EMI(무음)
• 완전성: 크기, 위험, BOM, 출시 시간 및 기타 '소프트한' 문제를 최소화하는 통합 솔루션

그림 2: DC/DC 조정기는 안정적인 전력 레일을 제공하는 것 이상의 성능을 발휘해야 합니다. 즉, 냉각되고 효율적이며, EMI '정적'이고, 기능적으로 완벽해야 합니다. (이미지 출처: Math.stackexchange.com, 작성자 수정)

이러한 문제를 해결하는 것은 까다로운 일이며, 좌절을 겪게 될 수도 있습니다. 여기에는 '80/20 규칙'이 적용됩니다. 즉, 작업의 마지막 20%를 완료하려면 노력의 80%가 필요합니다. 세 가지 요소에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

냉각: 모든 설계자가 높은 효율성을 원하지만, 정확히 얼마나 높은 효율을 원하고 비용은 얼마를 원하나요? 대답은 늘 그렇듯 프로젝트와 트레이드 오프에 따라 달라집니다. 높은 효율성은 다음과 같은 세 가지 주요 이유로 중요합니다.

1. 효율성이 높으면 제품의 냉각 성능이 우수하여 안정성이 향상되거나, 더 높은 온도에서 작동 가능하거나, 강제 공랭(팬)이 필요하지 않거나, 효율적인 대류 냉각(실현 가능한 경우)을 간단히 설정할 수 있습니다. 하이엔드에서는 특히 높은 온도로 작동하는 특정 부품을 최대 허용 온도 이하의 안전 작동 영역 이내로 유지해야 할 수 있습니다.
2. 이러한 열적 요소가 중요하지 않은 경우에도 효율성이 우수하면 배터리 작동 시스템의 가동 시간이 길어지거나 업스트림 AC-DC 컨버터의 부담이 감소합니다.
3. 이제 각 최종 제품의 특정 효율성 레벨을 규정하는 많은 규제 표준이 있습니다. 이러한 표준에서 제품의 개별 레일에 대한 효율성을 규정하지는 않지만 설계자는 집계된 전체 효율이 규정을 충족하는지 확인하는 데 어려움이 있습니다. 이는 각 관련 레일의 DC/DC 조정기가 효율적일이면, 각 레일을 결합한 전체 성능이 다른 전체 손실원을 능가하므로 더 쉬워집니다.

정적: 설계자가 우려하는 두 가지 기판 잡음 등급이 있습니다. 첫째, DC/DC 조정기 출력의 잡음과 리플이 시스템 성능에 악영향을 주지 않을 정도로 충분히 낮아야 합니다. 몇 밀리볼트의 리플에도 성능이 저하될 수 있는 정밀 아날로그 회로는 물론이고 디지털 회로에서도 레일 전압이 한 자릿수로 강압되면서 우려가 커지고 있습니다.

다른 주요 문제는 EMI와 관련이 있습니다. 두 가지 유형의 EMI 방출(전도성 및 복사성)이 있습니다. 전도성 방출은 제품에 연결되는 전선 및 트레이스에 따라 달라집니다. 잡음은 설계상 특정 단자 또는 커넥터에 국한되므로, 레이아웃 및 필터 설계가 양호한 개발 공정의 초기에는 전도성 방출 요구 사항이 상대적으로 잘 준수될 수 있습니다.

하지만 복사성 방출은 더 복잡합니다. 회로 기판에서 전류가 흐르는 모든 컨덕터는 전자기장을 방출하며, 모든 기판 트레이스가 안테나가 되고 모든 구리 평면이 미러가 됩니다. 순수 사인파 또는 DC 전압을 제외한 모든 것이 폭넓은 신호 스펙트럼을 생성합니다.

어려운 점은 신중하게 설계하더라도 설계자는 시스템을 테스트할 때까지는 복사성 방출이 얼마나 나쁜지 알 수 없고, 설계를 완료할 때까지는 복사성 방출 테스트를 공식적으로 수행할 수 없다는 것입니다. 다양한 기술을 사용하여 특정 주파수 또는 주파수 범위에서 레벨을 감쇠하여 EMI를 줄이기 위해 필터가 사용됩니다.

공간을 통해 방출되는 에너지의 일부는 판금을 자기 차폐로 사용함으로써 감쇠됩니다. pc 기판 트레이스에 따라 달라지는 저주파 부품(전도성)은 페라이트 비드 및 기타 필터를 사용하여 제어됩니다. 차폐가 작동하지만 몇 가지 새로운 문제를 야기합니다. 우수한 전자기 무결성으로 체계적으로 설계해야 합니다(대체적으로 매우 어려움). 비용과 실제 공간이 증가하고, 열 관리 및 테스트를 어렵게 만들며, 조립 비용이 추가됩니다.

다른 기술은 조정기의 스위칭 에지를 감속하는 것입니다. 하지만 이렇게 하면 효율성이 감소되고, 최소 켜기/끄기 시간과 필요한 부동 시간이 증가하고, 전류-제어-루프 속도가 저하되는 바람직하지 않은 영향을 미칩니다.

다른 방법은 주요 설계 파라미터를 신중하게 선택하여 EMI 방출을 줄이도록 조정기 설계를 조정하는 것입니다. 이러한 조정기 트레이드 오프를 균형 조정하는 작업에는 스위칭 주파수, 실장 면적, 효율성, 결과 EMI와 같은 파라미터의 상호 작용 평가가 포함됩니다.

예를 들어 낮은 스위칭 주파수는 일반적으로 스위치 손실과 EMI를 줄이고 효율성을 높이지만, 더 큰 부품이 필요하므로 실장 면적이 함께 증가합니다. 높은 효율성 추구는 낮은 최소 켜기/끄기 시간을 수반하여 스위치 전이 모드가 더 빨라지므로 고조파 함량이 증가하게 됩니다. 일반적으로 스위치 용량, 전이 시간과 같은 모든 다른 파라미터는 동일하다고 가정할 때 스위칭 주파수가 두 배로 증가할 때마다 EMI가 6dB 악화됩니다. 광대역 EMI는 스위칭 주파수가 1/10 증가할 때 방출이 20dB 증가하는 1차 고역 통과 필터처럼 동작합니다.

이 문제를 해결하기 위해 숙련된 pc 기판 설계자는 조정기의 전류 루프('핫 루프')를 작게 만들고, 차폐 접지 층을 활성 층에 최대한 가깝게 사용합니다. 그럼에도 불구하고, 감결합 부품의 적절한 에너지 스토리지에 필요한 핀아웃, 패키지 구조, 열 설계 요구 사항 및 패키지 크기에 따라 특정 최소 핫 루프 크기가 달라집니다.

일반 평면 pc 기판에서 30MHz를 초과하는 트레이스 사이에 자기 또는 변압기 스타일 결합이 있으므로 레이아웃 문제가 훨씬 더 까다로워집니다. 고조파 주파수가 높을수록 원치 않는 자기 결합 효율성이 증가하므로 이 결합은 필터링 노력을 감쇠시킵니다.

관련 있는 표준은 무엇입니까?

관련 표준은 응용 분야와 관련 규정에 따라 결정되므로 EMI 환경에서는 단일 안내 표준은 없습니다. 주로 언급되는 표준에는 EN55022, CISPR 22, CISPR 25가 있습니다. EN 55022는 CISPR 22를 수정하여 파생되었으며 정보 기술 장비에 적용됩니다. 이 표준은 CENELEC(European Committee for Electrotechnical Standardization)에 의해 생성되며, 전자 기술 엔지니어링 분야의 표준화를 담당합니다.

이러한 표준은 복잡하며 테스트 절차, 프로브, 계측, 데이터 분석 등을 정의합니다. 이 표준에 의해 정의되는 많은 제한 중에 설계자들이 가장 흥미로워하는 것은 Class B 복사성 방출 제한입니다.

완전성: 설계 상황이 정확히 파악되더라도 필요한 지원 부품을 올바른 방식을 선택하여 채택하는 것은 어려운 일입니다. 부품 배치와 사양이 조금만 다르더라도 pc 기판 접지, 트레이스 및 기타 요소가 성능에 악영향을 줄 수 있습니다.

모델링과 시뮬레이션이 필요하고 도움이 될 수 있지만, 특히, 값이 이동하는 경우 이러한 부품과 관련된 기생을 특정하는 것은 매우 어렵습니다. 또한 벤더 측의 변경(또는 기본 벤더의 예고 없는 변경)은 차상위 또는 차상위 파라미터 값(예: 인덕터 dc 저항(DCR))의 미묘한 변화를 유도하여 예상치 못한 중대한 결과를 초래할 수 있습니다.

수동 소자 부품의 위치를 약간만 조정하거나 '부품을 하나만' 추가하더라도 EMI 시나리오가 변경되고 방출량이 허용 한도를 초과할 수 있습니다.

SilentSwitcher µModules를 통해 문제 해결

위험을 예측하고 관리하는 것은 디자이너의 당연한 업무입니다. 위험의 수와 강도를 줄이는 것은 표준 최종 제품 전략입니다. 해결책은 우수한 설계 및 구현을 통해 냉각되고, 정적이며, 완성된 기능적으로 완벽한 DC/DC 조정기를 사용하는 것입니다. 알려진 장치를 사용하면 크기, 비용, EMI, BOM, 조립 위험을 해결하면서 불확실성을 줄일 수 있습니다. 또한 그러면 출시 시간을 단축하고 규정 준수 걱정을 줄일 수 있습니다.

Analog Devices의 Silent Switcher µModules와 같은 완벽한 조정기 제품군을 조사하여, 설계자는 EMI 규정을 충족하고, 크기와 비용을 알 수 있고, 놀랄 일이 없으면서 필요한 전압 및 전류 정격에 부합하는 DC/DC 조정기를 선택할 수 있습니다.

이러한 조정기는 혁신적인 회로도 및 토폴로지 그 이상을 통합합니다. 사용되는 기술은 다음과 같습니다.

• 기술 #1: 조정기 스위칭은 RF 발진기/소스 역할을 하며 접속 전선과 결합하여 안테나 역할을 합니다. 그러면 조립품이 허용 한도를 초과하는 바람직하지 않은 에너지를 가진 RF 송신기로 전환됩니다(그림 3, 4, 5).

그림 3: IC 다이와 패키지를 연결하는 접속 전선은 소형 안테나 역할을 하며 원치 않는 RF 에너지를 방출합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 4: Silent Switcher 조립은 접속 전선을 플립칩 기술로 대체하여 에너지 방출 전선을 제거함으로써 시작됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 5: 플립칩 방식은 안테나를 효율적으로 제거하고 방출 에너지를 최소화합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

• 기술 #2: 대칭 입력 커패시터를 사용하여 균형되고 상반된 전류를 생성함으로써 EMI를 제한합니다(그림 6).

그림 6: 이중 미러링 입력 커패시터를 추가하여 EMI를 제한할 수도 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

• 기술 #3. 마지막으로 반대 전류 루프를 사용하여 자기장을 상쇄합니다(그림 7).

그림 7: 전류 루프가 반대 방향인 내부 레이아웃은 원치 않는 자기장을 상쇄합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 Silent Switcher µModules은 지원 부품을 갖춘 IC에서 일체형 커패시터를 갖춘 LQFN IC를 거쳐 필수 커패시터와 인덕터를 갖춘 µModule로 발전하는 강압 조정기 설계 및 패키징의 진화를 나타냅니다(그림 8).

그림 8: 커패시터와 인덕터를 패키지에 통합하여 Silent Switcher µModules은 IC 기반 스위칭 조정기의 발전 단계 중 3세대에 해당합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

요구 사항을 해결하는 기판 제품, 트레이드 오프

Silent Switcher µModules은 다양한 정격의 입력 전압 범위, 출력 전압 레일 및 출력 전류를 지원하는 많은 개별 장치로 구성됩니다. 예를 들어 LTM8003은 9mm × 6.25mm x 3.32mm에 불과한 크기로 CISPR 25 Class 5 제한을 충족하는 3.4V ~ 40V 입력, 3.3V 출력, 3.5A 지속(최대 6A) µModule입니다(그림 9).

그림 9: LTM8003 Silent Switcher는 DC부터 1000MHz까지 CISPR 25 Class 5 최대 복사 에너지 제한을 손쉽게 충족하는 소규모 독립형 패키지입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

장애 모드 영향 분석(FMEA)을 준수하는 핀아웃으로 제공됩니다(LTM8003-3.3). 즉, 인접 핀이 단락되거나 핀이 부동 상태인 동안 출력이 조정 전압 이하로 유지됩니다. 일반 정동작 전류는 25µA에 불과하고, H 등급 버전의 정격 작동 온도는 150°C입니다.

설계자는 DC2416A 데모 기판을 사용하여 조정기를 실행하고 응용 분야에 대한 조정기 성능을 평가할 수 있습니다(그림 10).

그림 10: DC2416A 데모 기판은 LTM8003 Silent Switcher 장치 연결 및 평가를 간소화합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

명목상 유사한 두 Silent Switcher µModule 제품군인 LTM4657(3.1V ~ 20V 입력, 0.5V ~ 5.5V @8A 출력) 및 LTM4626(3.1V ~ 20V 입력, 0.6V ~ 5.5V @12A 출력)은 장치가 제공하는 트레이드 오프의 본질을 보여줍니다. LTM4657은 LTM4626보다 값이 더 높은 인덕터를 사용하므로, 더 낮은 주파수에서 작동하여 스위칭 손실을 줄일 수 있습니다.

LTM4657은 부하 전류가 낮거나 입력 전압이 높은 응용 분야와 같이 높은 스위칭 손실과 낮은 전도 손실에 효과적인 솔루션입니다. 동일한 스위칭 주파수에서 작동하고 동일한 12V 입력 및 5V 출력을 지원하는 LTM4626 및 LTM4657을 살펴보면 LTM4657의 스위칭 손실이 더 우수한 것을 알 수 있습니다(그림 11). 또한 값이 높은 인덕터는 출력 전압 리플을 줄입니다. 하지만 LTM4626은 LTM4657보다 더 높은 부하 전류를 공급할 수 있습니다.

그림 11: DC2989A 데모 기판에서 동일한 구성으로 1.25MHz에서 실시한 LTM4626 및 LTM4657 효율성 비교에서는 작지만 분명한 차이를 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

DC2989A 데모 기판을 사용하여 LTM4657의 성능을 평가할 수 있지만(그림 12), LTM4626를 평가하려면 DC2665A-A 기판을 사용할 수 있습니다(그림 13).

그림 12: DC2989A 데모 기판은 LTM4657 Silent Switcher 평가를 가속화하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 13: LTM4626 Silent Switcher 모듈의 경우 DC2665A-A 데모 기판을 사용하여 손쉽게 실행하고 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

Silent Switcher µModules은 단일 출력 모듈로 제한되지 않습니다. 예를 들어 LTM4628은 단일 2상 16A 출력을 제공하도록 손쉽게 구성할 수 있는 완벽한 이중 8A 출력 스위칭 DC/DC 조정기입니다(그림 14). 이 모듈은 15mm × 15mm × 4.32mm LGA 및 15mm × 15mm × 4.92mm BGA 패키지로 제공됩니다. 이 모듈은 스위칭 컨트롤러, 전력 FET, 인덕터 및 모든 지원 부품으로 구성되어 있습니다.

그림 14: LTM4628은 이중 출력 채널당 8A 스위칭 DC/DC 조정기 또는 단일 출력 16A 출력 구성으로 구성될 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 모듈은 4.5V ~ 26.5V 입력 전압 범위에서 작동하고 0.6V ~ 5.5V 출력 전압 범위를 지원하며, 단일 외부 저항기에 의해 설정됩니다. DC1663A 데모 기판을 사용하여 단일 또는 이중 출력 장치로 모듈 성능을 조사할 수 있습니다(그림 15).

그림 15: DC1663A 데모 기판을 사용하면 단일/이중 출력 LTM4628을 빠르게 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

출시된 IC를 사용하여 작동하는 DC/DC 조정기를 설계하는 것은 매우 쉽습니다. 하지만 효율성이 뛰어나고, 기능적으로 완벽하면서, 혼동스럽고 엄격한 다양한 조정기 규정을 충족하는 조정기를 설계하는 것은 간단하지 않습니다. Analog Devices의 Silent Switcher µModules은 설계 공정을 간소화합니다. 또한 냉각되고 효율적인 작동, 허용 제한 이하의 EMI 방출, 드롭인 완전성 목표를 충족하여 위험을 제거합니다.