스위칭 전원 공급 장치에서 기생을 최소화하는 방법

스위치 모드(스위칭) 전원 공급 장치는 효율성과 유연성이 뛰어나 인기가 많습니다. 하지만 그 사용 범위가 새로운 응용 분야로 확장되면서 문제가 발생하기도 합니다. 가장 큰 문제는 고주파 스위칭이 나머지 시스템에서 전자파 장해(EMI)를 유발할 수 있다는 점입니다. 또한 EMI를 유발하는 것과 동일한 요인으로 인해 효율성이 감소되어 스위칭 전원 공급 장치의 주요 이점 중 하나가 훼손될 수 있습니다.

이러한 문제를 방지하기 위해 설계자는 전원 공급 장치 회로에서 빠른 스위칭이 발생하는 부분인 '핫 루프'를 구성할 때 특히 주의해야 합니다. 등가 직렬 저항(ESR) 및 등가 직렬 유도 용량(ESL)으로 인한 핫 루프의 기생 손실을 최소화해야 합니다. 이를 위해 고집적 전원 공급 장치 부품과 세심한 인쇄 회로 기판(pc 기판) 레이아웃을 선택할 수 있습니다.

이 기사에서는 결합 커패시터, 전력 전계 효과 트랜지스터(FET), pc 기판 바이어를 비롯한 기생 손실원과 핫 루프를 소개합니다. 그런 다음 Analog Devices의 고집적 전력 컨버터를 예시로 보여주고 다양한 pc 기판 레이아웃과 기생 파라미터에 미치는 영향을 설명합니다. 마지막으로 ESR 및 ESL 감소를 위한 유용한 팁을 제공합니다.

스위칭 전원 공급 장치 핫 루프 기본 사항

부스트, 벅 부스트, 플라이백 컨버터 등 빠른 전류 스위칭을 포함하는 모든 전원 공급 장치 설계에는 고주파에서 전류 스위칭이 발생하는 핫 루프가 있습니다. 이 개념은 강압 컨버터라고도 하는 간소화된 벅 컨버터를 통해 설명됩니다(그림 1). 왼쪽 루프(빨간색)에는 모든 스위칭 소자가 포함되어 있으며, 회로에서 생성되는 고주파 전류가 그 안에 포함되어 핫 루프를 형성합니다.

그림 1: 간소화된 벅 컨버터는 빨간색으로 강조 표시된 핫 루프의 원리를 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

'핫' 측면은 회로의 이 영역에서 발생하는 상당한 에너지 변환 및 스위칭 활동에서 비롯되며 보통은 열 발생을 수반합니다. 이러한 핫 루프의 적절한 레이아웃과 설계는 EMI를 최소화하고 효율적인 전원 공급 장치 작동을 보장하는 데 매우 중요합니다.

그림 2의 보다 현실적인 회로에서는 DC-DC 동기식 벅 컨버터를 보여줍니다. 이 핫 루프에서 물리적 부품(검은색 레이블)은 입력 커패시터(C_IN) 및 스위칭 금속 산화 반도체 FET(MOSFET), M1 및 M2입니다.

그림 2: 실제 핫 루프에는 빨간색으로 표시된 기생 파라미터가 불가피하게 포함됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

핫 루프 내 기생 파라미터는 빨간색 레이블로 표시되어 있습니다. ESL은 일반적으로 nH 범위 내에 있고, ESR은 mΩ 범위 내에 있습니다. 고주파 스위칭은 ESL 내에서 링잉을 유발하여 EMI를 발생합니다. 그러면 ESL에 저장된 에너지가 ESR에 의해 소비되어 전력 손실로 이어집니다.

통합된 부품으로 기생 파라미터 최소화

이러한 기생 임피던스(ESR, ESL)는 부품 내부와 핫 루프 pc 기판 트레이스를 따라 발생합니다. 이러한 파라미터를 최소화하기 위해 설계자는 부품을 신중하게 선택하고 pc 기판 레이아웃을 최적화해야 합니다.

두 가지 목표를 한꺼번에 달성할 수 있는 방법 중 하나는 통합된 부품을 사용하는 것입니다. 그러면 핫 루프의 전체 면적을 줄이면서 이산 소자 부품을 연결하는 데 필요한 pc 기판 트레이스를 제거할 수 있으며, 그 결과 기생 임피던스가 줄어듭니다.

고집적 부품의 좋은 예로는 Analog Devices의 LTM4638 강압 µModule 조정기가 있습니다. 그림 3에 표시된 대로 이 15A 스위칭 조정기는 6.25mm × 6.25mm × 5.02mm의 소형 패키지이며, 여기에 스위칭 컨트롤러, 전력 FET, 인덕터, 지원 부품이 모두 통합되어 있습니다.

그림 3: LTM4638 µModule 조정기에는 벅 컨버터에 필요한 많은 부품이 통합되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

LTM4638에는 기생 손실을 줄여주는 기타 여러 기능이 포함되어 있으며 그 예는 다음과 같습니다.

• 고속 과도 응답: 조정기에서 부하 또는 입력의 변화에 따라 출력 전압을 빠르게 조정하여 최적화되지 않은 작동 상태를 빠르게 전환함으로써 기생 손실의 지속 시간과 영향을 최소화할 수 있습니다.
• 불연속 모드 작동: 다음 스위칭 주기가 시작되기 이전에 인덕터 전류가 0으로 강하될 수 있습니다. 경부하 조건에서 일반적으로 사용되는 이 모드에서는 주기의 일부 동안 전력을 차단하여 인덕터에서 스위칭 및 코어 손실을 줄입니다.
• 출력 전압 추적: 컨버터 출력이 레퍼런스 입력 전압을 따를 수 있습니다. 이 기능은 출력 전압의 상승 및 하강을 정밀하게 제어하여 기생 손실을 악화시킬 수 있는 오버슈트 또는 언더슈트의 가능성을 줄입니다.

부품 배치로 기생 파라미터 최소화

LTM4638로 동기식 벅 컨버터를 구성하려면 벌크 입력 및 출력 커패시터인 C_IN 및 C_OUT을 각각 추가해야 합니다. 이러한 커패시터의 위치는 기생 파라미터에 상당한 영향을 줄 수 있습니다.

Analog Devices의 LTM4638용 DC2665A-B 평가 기판 실험에서는 C_IN 위치의 영향을 보여줍니다.이후에 DC2665B-B가 이 기판을 대체했지만 동일한 원칙이 적용됩니다. 그림 4 ~ 그림 6은 C_IN에 대한 세 가지 레이아웃과 해당 핫 루프를 보여줍니다. 수직 핫 루프 1(그림 4) 및 2(그림 5)에서는 C_IN을 각각 하단 레이어의 조정기 바로 아래 또는 측면에 배치합니다. 수평 핫 루프(그림 6)에서는 커패시터를 상단 레이어에 배치합니다.

그림 4: 수직 핫 루프 1 하단뷰 및 측면뷰 C_IN은 조정기 바로 아래에 있으며 바이어를 통해 연결됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 5: 수직 핫 루프 2 하단뷰 및 측면뷰 C_IN은 조정기 하단 측면에 있으므로 pc 기판 트레이스 및 바이어가 필요합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 6: 수평 핫 루프 상단뷰 및 측면뷰 C_IN은 상단 레이어에 있으며 트레이스를 통해 조정기에 연결됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

수직 핫 루프 1은 최단 경로가 있으며 pc 기판 트레이스 사용을 피합니다. 따라서 기생 파라미터가 최저 수준일 것으로 예상됩니다. 600kHz 및 200MHz에서 FastHenry로 각 핫 루프를 분석하면 다음과 같은 사실을 알 수 있습니다(그림 7).

그림 7: 예상한 대로 최단 경로의 기생 임피던스가 가장 작습니다. (이미지 출처: Analog Devices, 저자에 의해 수정됨)

이러한 기생 파라미터를 직접 측정할 수는 없지만 효과를 예측하고 테스트할 수 있습니다. 특히 ESR이 작을수록 효율성은 커지고 ESL이 작을수록 리플이 작아집니다. 실험 검증을 통해 이러한 예측이 확인되었으며, 수직 핫 루프 1이 두 지표 모두에서 더 나은 성능을 보여주었습니다(그림 8).

그림 8: 실험 결과 수직 핫 루프 1이 더 나은 효율성과 리플을 나타냈습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이산 소자 부품에 대한 기생 파라미터 최소화

통합된 장치는 많은 이점을 제공하지만 일부 스위칭 전원 공급 장치에 이산 소자 부품이 필요합니다. 예를 들어 고전력 응용 제품이 통합 장치의 성능을 초과할 수 있습니다. 그런 경우 이산 소자 전력 FET의 배치와 패키지 크기가 핫 루프 ESR 및 ESL에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 영향은 그림 9와 같이 고효율 4스위치 동기식 벅 부스트 컨트롤러가 실장된 두 평가 기판을 테스트하여 확인할 수 있습니다.

• DC2825A 평가 기판은 LT8390 벅 부스트 조정기를 기반으로 합니다. MOSFET은 병렬로, 즉 동일한 방향으로 배치됩니다.
• DC2626A 평가 기판은 LT8392 벅 부스트 조정기를 기반으로 합니다. 두 MOSFET 쌍이 90˚ 각도로 배치되어 있습니다.

그림 9: DC2825A(왼쪽)에서는 MOSFET을 병렬로 배치하고, DC2626A(오른쪽)에서는 90˚ 각도로 배치합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

10A 및 300kHz에서 36V에서 12V로 강압 작동을 통해 동일한 MOSFET 및 커패시터를 사용하여 두 기판을 테스트했습니다. 그 결과 90˚ 배치에서 전압 리플은 더 낮고 공진 주파수는 더 높았으며, 짧은 핫 루프 경로로 인해 pc 기판 ESL이 더 작았습니다(그림 10).

그림 10: DC2626A는 90˚ MOSFET 레이아웃에서 더 낮은 리플과 더 높은 공진 주파수를 나타냈습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

기타 레이아웃 고려 사항

핫 루프에서 FormVVia 상단의 배치는 루프 ESR 및 ESL에도 영향을 줍니다. 일반적으로 바이어를 추가하면 pc 기판 기생 임피던스가 감소됩니다. 하지만 감소는 바이어 수에 선형적으로 비례하지 않습니다. 바이어가 단자 패드에 가까울수록 ESR 및 ESL이 크게 감소됩니다. 따라서 핫 루프 임피던스를 최소화하려면 여러 바이어를 중요 부품(C_IN 및 µModule 또는 MOSFET)의 패드에 가깝게 배치해야 합니다.

전기 및 열 성능에 긍정적인 영향을 미치는 많은 다른 방법이 있습니다. 핫 루프를 최적화하기 위한 모범 사례는 다음과 같습니다.

• V_IN, V_OUT, 접지를 비롯한 고전류 경로에 큰 pc 기판 구리 영역을 사용하여 pc 기판 전도 손실 및 열응력을 최소화합니다.
• 전용 전력 집지 층을 장치 밑에 배치합니다.
• 상단과 다른 전력 층 사이의 상호 연결을 위해 여러 바이어를 사용하여 전도 손실을 최소화하고 모듈 열응력을 줄입니다.
• 뚜껑을 덮거나 도금하지 않는 한 바이어를 패드에 직접 올려두지 마십시오.
• 신호 핀에 연결된 부품에 별도의 신호 접지 구리 영역을 사용하여 장치 아래의 주 접지 핀에 신호 접지를 연결합니다.
• 모니터링을 위해 신호 핀에 테스트 포인트를 적용합니다.
• 누화로 인한 잡음 가능성을 최소화하기 위해 클록 신호와 주파수 입력 트레이스 사이에 간격을 유지합니다.

결론

핫 루프 내 기생 파라미터는 스위칭 전원 공급 장치의 성능에 큰 영향을 주는데, 높은 효율성과 낮은 EMI를 달성하려면 이러한 파라미터를 최소화해야 합니다.

이러한 목표를 달성하는 가장 간단한 방법 중 하나는 통합된 조정기 모듈을 사용하는 것입니다. 하지만 스위칭 전원 공급 장치에는 일반적으로 커패시터와 같은 벌크 부품을 사용해야 하므로, 핫 루프 레이아웃의 영향을 이해해야 합니다.