소형 모듈식 소형 DC/DC 컨버터를 사용하여 전력 레일 잡음을 최소화하는 방법

잡음은 거의 모든 시스템 설계에 내재하며 일반적으로 피할 수 없는 고려 사항입니다. 어떤 잡음은 외부 소스에서 발생하여 회로 설계자가 직접 제어할 수 없지만, 회로 자체에서 발생하는 잡음도 있습니다. 대부분의 경우, 잡음은 민감한 아날로그 및 디지털 회로에 영향을 줄 수 있으므로 설계자가 잡음원, 특히 전력 레일의 잡음을 최소화하는 것이 중요합니다.

잡음으로 인해 회로 성능이 불규칙하고 해상도와 정밀도가 감소되며 비트 오류율(BER)이 높아질 수 있습니다. 최악의 경우, 전체 시스템의 오작동 또는 빈번하거나 간헐적인 성능 문제가 발생할 수 있으며 이 두 가지 모두 디버깅하기 어려운 문제입니다.

DC/DC 스위칭 조정기와 출력 레일은 리플과 방사 소음이라는 두 가지 주요 잡음 문제가 있습니다. 회로 내에서 생성되는 잡음은 전자파 적합성(EMC)에 대한 규정의 적용을 받으며 다른 주파수 대역에 지정된 수준보다 낮아야 합니다.

설계자의 과제는 내부 소음과 그 원인을 이해하고 이를 제거하거나 완화하는 것입니다. 이 기사에서는 Monolithic Power Systems, Inc의 DC/DC 조정기를 사용하여 조정기 잡음 문제를 최소화하기 위한 옵션을 논의합니다.

소음의 원인과 유형에서 시작

관찰하기 가장 쉬운 잡음과 회로 성능에 직접적인 영향을 미치는 잡음은 스위칭 주파수에서의 리플입니다. 이 리플은 일반적으로 약 10mV ~ 20mV입니다(그림 1). 본질적으로 이는 시스템 성능에 충분히 영향을 미칠 수 있는 잡음입니다. 이 리플의 밀리볼트 수준은 일반적으로 5V 이상의 레일로 작동하는 고전압 디지털 IC의 경우 문제가 되지 않지만 3V 미만에서 작동하는 저전압 디지털 회로의 경우 문제가 될 수 있습니다. 공급 레일의 리플은 정밀 아날로그 회로망 및 부품에서의 주요 고려 사항이기도 하므로, 이러한 장치에 대한 전력 공급 제거율(PSRR) 사양은 매우 중요합니다.

그림 1: 조정기에 대한 스위칭 동작의 결과인 DC 레일의 리플은 회로의 기본 성능 또는 정밀도 결과에 영향을 미칠 수 있습니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems, Inc.)

DC/DC 조정기의 스위칭 동작이 무선 주파수(RF) 잡음을 방출할 수도 있습니다. DC 레일에서 밀리볼트의 리플이 허용되기는 하지만, EMC를 손상시키는 전자기 방출 문제도 있습니다. 이 잡음은 스위칭 컨버터에 따라 몇 킬로헤르츠에서 수 메가헤르츠(MHz)에 이르는 알려진 기본 주파수를 가지며 많은 고조파도 포함됩니다.

가장 일반적으로 인용되는 EMC 관련 규정 표준으로는 CISPR 22 및 CISPR 32, '정보 기술 장비 무선 방해 특성 제한 및 측정 방법'(CISPR은 'Comité International Spécial Radio Interference'의 약자)이 있습니다. 주로 CISPR 22 제품 표준에서 파생된 유럽 표준 EN 55022도 있으며, 신중하게 정의된 조건에서 테스트가 수행됩니다.

CISPR 22는 대부분의 유럽 공동체 회원들이 사용을 위해 채택했습니다. 미국의 FCC 15부와 CISPR 22는 상당히 비슷하지만 몇 가지 차이점이 있습니다. CISPR 22/EN 55022는 EMC 지침에 준하여 일치하는 표준으로 성립된 멀티미디어 장비(MME)를 위한 새로운 제품군 표준인 CISPR 32/EN 55032에 의해 '흡수'되었습니다.

주로 주거 환경에서 사용하도록 고안된 장비는 클래스 B 제한을 충족해야 하며 다른 모든 장비는 클래스 A를 준수해야 합니다(그림 2). 북미 시장용으로 설계된 제품은 의도치 않은 방출에 대해 미국 연방 통신 위원회(FCC) 15부, 서브 파트 B의 섹션 15.109에서 정의된 제한을 준수해야 합니다. 따라서 DC 조정기에서 방출되는 전기적 잡음이 제품 자체에 부정적인 영향을 미치지는 않더라도, 다양한 규정 요건을 충족하는 것과 관련하여 여전히 잡음 수준이 높아 수용되지 않을 수 있습니다.

그림 2: CISPR 32/EN 55032에서 제공하는 다양한 그래프 중 하나로, 다양한 등급의 소비자 제품에 대한 방출 제한 대 주파수를 정의합니다. (이미지 출처: Academy of EMC, 'EMC 표준')

EMC 문제를 처리하는 것은 간단한 해결책이 없는 복잡한 문제입니다. 무엇보다도 이러한 방출의 측정 및 허용 한계는 회로의 작동 주파수, 거리, 전력 레벨 및 응용 등급에 따라 다릅니다. 따라서 다양한 기술 자원을 참고하고, 안내 및 전문 지식을 제공할 수 있는 컨설턴트에게 문의하는 것이 좋습니다.

그럼에도 불구하고, 설계자는 회로 성능 문제를 방지하고 적절한 잡음 요구 사항을 충족하기 위해 잡음을 최소화하는 세 가지 기본 전략을 가지고 있습니다.

• 저 드롭아웃 조정기(LDO)를 사용합니다.
• 스위칭 조정기에 외부 필터링을 추가하여 DC 레일의 부하로 인한 잡음을 줄입니다.
• 인덕터 또는 커패시터와 같이 조정기 IC 외부에 있는 부품을 내장하는 스위칭 조정기 모듈을 선택합니다. 결과 모듈은 저 잡음 레일을 제공하도록 설계되고 보장되므로 외부 필터링이 최소화되거나 필요하지 않습니다.

LDO로 시작

LDO 아키텍처에는 클록이나 스위칭이 없기 때문에 본질적으로 EMC 잡음이 낮고 출력 레일 리플이 없다는 특징을 가지므로, 매년 수억 개의 LDO가 사용됩니다. 적절한 설계에 적용하면 효과적인 솔루션이 될 수 있습니다.

예를 들어, Monolithic Power Systems MP20075 LDO는 특히 이중 데이터 전송률(DDR) 2/3/3L/4 동기식 동적 랜덤 액세스 메모리(DDR)에 대한 활성 버스 종단을 대상으로 합니다(그림 3). 이 LDO는 8핀 MSOP 하우징으로 제공되며 사용자가 설정 가능한 1.05V ~ 3.6V의 전압에서 최대 3암페어(A)를 싱크 및 소싱할 수 있으며 정확한 종단을 위한 정밀 V_REF/2 추적 전압이 특징입니다.

그림 3: MP20075 LDO는 최대 3A를 싱크하거나 소싱할 수 있으며 다양한 DDR SRAM 클래스의 종단 요구 사항에 최적화되었습니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

MP20075의 통합된 분배기는 기준 전압(REF)을 추적하여 정확한 VTT 및 VTTREF 출력 전압을 보장하며, 캘빈 감지는 VTT의 경우 ±30mV, VTTREF의 경우 ±18mV의 정확도를 달성할 수 있습니다. 또한 대부분의 LDO와 마찬가지로 아날로그 전용 폐루프 토폴로지는 출력 부하 과도 상태에 대해 단 몇 마이크로초 만에 매우 빠르게 응답할 수 있습니다(그림 4). 이러한 과도 응답은 보통 이 LDO가 설계된 DDR SRAM 종단과 같은 고속 회로에서 매우 중요합니다.

그림 4: LDO의 아날로그 폐루프 설계는 부하에 의한 과도 상태 요구에 대한 매우 빠른 응답에 기여합니다. 이러한 성능은 DDR SRAM 종료와 같은 응용 제품에 필요합니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

저소음 및 사용 편의성이라는 본질적인 특성에도 불구하고 LDO에는 한계가 있습니다. 첫째, 스위칭 조정기보다 효율성이 현저히 떨어지며, 이는 다음 두 가지의 명백한 문제를 야기합니다. 방출되는 열은 시스템의 열 부하를 증가시키고, 효율성 감소는 배터리로 작동하는 휴대용 장치의 작동 시간에 영향을 미칩니다. 이러한 이유로 LDO는 최대 약 1A ~ 3A(MP20075에서 보이는 것과 같이)의 출력 전류에 가장 일반적으로 사용됩니다. 이는 효율성 '패널티'가 종종 이 값을 초과하기 때문입니다.

LDO에는 또 다른 본질적인 제한이 있습니다. LDO는 강압(벅) 조정만 제공할 수 있으며 비조정 입력 DC 공급 장치를 공칭 값 이상으로 높일 수 없습니다. 부스트 모드 출력이 필요한 경우 LDO는 DC/DC 조정기 옵션에서 자동으로 제외됩니다.

레이아웃 미세 조정, 일부 필터링 추가

부스트 또는 벅 모드 작동을 위해 스위칭 조정기를 사용하는 경우, 스위칭 동작은 본질적이며 피할 수 없는 잡음의 근원입니다. 조정기가 고정 주파수에서 작동하면 추가 출력 필터링을 추가하는 것이 더 간편합니다. MP2145 5.5V, 6A, 동기식 강압 스위칭 조정기는 20mΩ 및 12mΩ MOSFET을 갖춘 12리드 2mm × 3mm QFN 패키지에 내장되어 있습니다(그림 5).

그림 5: MP2145, 5.5V, 6A, 동기식 강압 스위칭 조정기는 2mm x 3mm QFN 패키지에 20mΩ 및 12mΩ MOSFET이 내장되어 있습니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

MP2145와 같은 동기식 벅 컨버터는 입력 커패시터 C_IN, 바디 다이오드가 있는 2개의 스위치(S1 및 S2), 에너지 저장 전력 인덕터(L) 및 출력 커패시터(C_OUT)로 구성됩니다. 출력 커패시터(_COUT)는 정상 상태에서 출력 전압을 평활화하기 위해 출력에 배치됩니다. 이를 통해 1단계 필터가 형성되고 고주파 전압 구성 요소가 접지로 돌아갈 수 있도록 낮은 임피던스 경로를 제공하여 출력 전압 리플을 줄입니다.일반적으로 이러한 션트 출력 커패시터는 출력 전압의 리플을 1mV로 효과적으로 줄일 수 있습니다.

출력 전압 리플을 더 줄이려면 인덕터 커패시터(LC) 필터가 1단계 출력 커패시터에 캐스케이드된 2단계 출력 필터가 필요합니다(그림 6). 필터링 인덕터(L_f)는 예상되는 고주파 범위에서 저항성이 있으며 열 형태로 잡음 에너지를 발산합니다. 인덕터는 추가 션트 커패시터와 결합하여 LC 저역 통과 필터 네트워크를 형성합니다.

그림 6: MP2145와 같은 스위칭 조정기의 출력에 2단계 LC 필터를 추가하면 출력 리플을 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

공급업체 규격서 및 응용 참고 사항은 이 필터의 인덕터, 커패시터 및 감폭 저항기 부품의 크기를 결정하기 위한 방정식과 지침을 제공합니다. 또한 최대 인덕터 DC 저항(DCR) 및 포화 전류, 최대 커패시터 등가 직렬 저항(ESR)과 같은 중요한 2차 매개 변수를 설명합니다. 통상 유도 용량 값은 0.22µH와 1µH 사이입니다.

가능한 최상의 성능을 얻기 위해서는 이러한 부품의 배열도 매우 중요합니다. 잘못된 배열은 라인 또는 부하 조정 불량, 리플 증가 및 기타 안정성 문제를 초래할 수 있습니다. MP2145의 입력 커패시터(Cin)는 최대한 IC 핀에 가깝게 배치해야 합니다(그림 7).

그림 7: MP2145의 입력 커패시터(Cin, 오른쪽 하단, 그림 5의 회로도에서 C1)는 최대한 8핀(전력 입력 핀) 및 10/11/12핀(전력 GND 핀)에 가까워야 합니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

성능 보장을 제공하는 모듈

모듈은 DC/DC 조정기의 구현을 시스템 통합의 다음 단계로 끌어 올립니다. 이를 통해 외부 부품의 선택 및 배치와 관련된 문제를 최소화하거나 제거하고 보증된 사양을 제공합니다. 모듈은 주로 기존의 다소 까다로운 외부 인덕터와 같은 추가 부품을 통합합니다. 따라서 EMC 및 리플 관련 성능에 영향을 미치는 수동 부품의 크기, 배치 및 방향과 관련된 문제가 줄어듭니다.

예를 들어, MPM3833C는 내장형 전력 MOSFET 및 인덕터가 있는 강압 모듈로, 2.75 ~ 6V 사이의 입력 전압에서 최대 3A의 연속 출력 전류를 제공할 뿐만 아니라 우수한 부하 및 라인 조정을 제공합니다(그림 8). 피드백 저항기, 입력 커패시터 및 출력 커패시터만 있으면 설계가 완료됩니다. 일반적으로 지정하고 배치하기 가장 어려운 외부 부품인 인덕터가 모듈 내부에 있으므로 전자파 장해(EMI) 및 리플을 최소화하기 위한 적절한 배치와 관련된 문제를 신경쓰지 않아도 됩니다.

그림 8: MPM3833C DC/DC 모듈은 설계 및 성능 사양에 문제가 될 수 있는 인덕터를 포함합니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

이 모듈은 초소형 QFN-18(2.5mm × 3.5mm × 1.6mm) 패키지로 제공되며 리플 전압은 5mV(통상)입니다. 낮은 수준의 복사성 방출(EMI)은 25°C에서 V_IN = 5V, V_OUT = 1.2V, I_OUT = 3A, CO = 22피코패러드(pF)의 조건에 대해 그림 9에 표시된 EN55022 B급 표준을 준수합니다.

그림 9: MPM3833C DC/DC 모듈에 대한 규격서는 복사성 방출에 대한 EN55022 B급 표준을 쉽게 충족함을 보여줍니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

최신 마이크로 패키징 기술을 사용하면 모듈의 전체 크기가 내부 다이보다 약간 크거나 높습니다. 저높이는 갈수록 더 중요해지고 있는 파라미터입니다. 내부 인덕터가 있는 완전 통합형 1.2MHz 동기식 정류형 강압 전력 모듈인 MPM3650을 고려해 보십시오(그림 10). 0.6V ~ 1.8V의 출력에 대해 최대 6A, 1.8V 이상의 출력에 대해 최대 5A의 연속 출력 전류를 제공하며 2.75V ~ 17V의 넓은 입력 범위에 걸쳐 우수한 부하 및 라인 조정을 제공합니다. 내부 MOSFET 및 내장형 인덕터를 사용하는 QFN-24 패키지는 크기가 4mm x 6mm x 1.6mm에 불과합니다.

그림 10: 인덕터가 통합된 MPM3650 모듈은 4mm × 6mm × 1.6mm 크기의 패키지로, 최대 1.8V에서 최대 6A, 1.8V 이상에서 5A를 제공합니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

모듈식 접근 방식의 또 다른 이점은 리플 잡음이 무부하 시 약 20mV에서 잘 제어되고, 6A의 최대 부하에서 약 5mV로 내려갑니다(그림 11). 따라서 대부분의 경우 추가 외부 필터링이 필요하지 않으므로 설계가 단순화되고 설치 공간이 감소되며 자재 명세서(BOM)가 줄어듭니다.

그림 11: MPM3650 모듈의 리플 잡음은 무부하 시 약 20mV, 최대 부하에서 약 5mV로 지정됩니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

DC/DC 조정기 모듈의 실제 작업을 수행하여 정적 및 동적 성능이 규격서에 명시된 것 이상으로 시스템 요구 사항을 충족하는지 평가하는 것이 유용한 경우가 많습니다. 이 프로세스의 속도를 높이기 위해 Monolithic Power Systems는 MPM3650용으로 63.5mm × 63.5mm × 1.6mm, 4층 평가 기판인 EVM3650-QW-00A를 제공합니다(그림 12).

그림 12: MPM3650 DC/DC 모듈의 잠재적 사용자는 EVM3650-QW-00A 평가 기판을 사용하여 응용 제품에서의 성능을 빠르게 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

평가 기판은 규격서와 함께 다양한 용도로 사용됩니다. 첫째, 사용자는 광범위한 작동 조건에서 MPS3650의 많은 성능 속성을 간편하게 평가할 수 있습니다. 이 중 일부는 규격서에서 명확하게 표현되어 있지 않거나 언급되지 않을 수 있습니다. 둘째, 평가 기판의 규격서에는 전체 회로도, BOM 및 기판 레이아웃 세부 정보가 포함되어 있으므로, MPS3650 사용자는 설계에서 이를 사용하여 위험을 줄이고 불확실성을 최소화할 수 있습니다(그림 13).

그림 13: EVM3650-QW-00A 평가 기판 패키지에는 위험과 불확실성을 줄이기 위한 전체 회로도, BOM 및 기판 레이아웃 세부 정보가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

이 평가 기판은 설계자에게 모듈의 성능을 더 잘 이해할 수 있는 기회를 제공하여 시장 출시 기간을 최소화하고 높은 수준의 설계 신뢰성을 보장합니다.

또 한 가지 유형의 잡음

설계자들이 '잡음'이라고 말할 때, 대부분은 리플이나 EMI와 같은 회로에서 전자 잡음의 일부 현상을 말합니다. 그러나 스위칭 조정기에는 또 다른 잠재적 잡음 유형이 있는데, 바로 음향 잡음입니다. 사람의 청력 범위(일반적으로 20kHz로 간주됨)를 초과하여 작동하는 조정기의 경우 이러한 잡음은 문제가 되지 않습니다. 그러나 일부 스위칭 조정기는 오디오 음역 내에서 작동하며, 훨씬 더 높은 주파수에서 작동하는 일부 조정기는 전력 소비를 최소화하기 위해 유휴 또는 대기 기간 동안 오디오 음역으로 강하되기도 합니다.

이 가청 잡음은 잘 알려진 두 가지 물리적 현상인 압전 효과와 자기 변형 효과 중 하나 또는 둘 모두 때문에 발생합니다. 압전 효과의 경우, 회로의 클록 구동 전기적 진동은 전기 에너지가 커패시터의 결정질 재료에 의해 기계적 동작으로 변환됨에 따라 세라믹 커패시터와 같은 부품이 스위칭 클록과 동기화되어 진동하게 됩니다. 압전 효과와 다소 유사한 자기 변형 효과의 경우 인덕터 또는 변압기 코어와 같은 자성 재료가 자화의 클록 구동 주기 동안 모양과 치수가 변경됩니다. 영향을 받은 커패시터 또는 인덕터/변압기는 기계적 '구동기' 역할을 하여 전체 회로 기판이 공진하도록 함으로써 가청 진동을 증폭하고 전달합니다.

이러한 효과 중 하나 또는 둘 모두로 인해 청력이 좋은 사람들은 종종 전자 장치 주변에서 지속적이고 낮은 볼륨의 윙윙거리는 소리가 들리는 것에 대해 불평합니다. 이 음향 잡음은 때때로 저주파 50Hz/60Hz 전력 회로의 부품에서 생성되기 때문에 고주파 청력이 좋지 않은 사람도 윙윙거리는 소리를 들을 수 있습니다.

음향 잡음을 다루는 데는 전자 소음 감쇠에 사용되는 것과는 다른 접근 방식과 기술이 필요합니다.

결론

LDO는 DC 레일 리플 및 EMI 문제에 대한 무잡음 또는 저잡음 솔루션을 제공하지만, 일반적으로 몇 암페어 이상에서 실행 가능한 조정기 옵션은 아닙니다. 이에 대한 대안으로, 적절한 필터링 기능이 있는 스위칭 조정기 또는 저잡음 성능을 위해 특별히 설계된 조정기가 있습니다.

초소형 패키지에 인덕터와 같은 부품을 통합하는 완전한 DC/DC 조정기 모듈은 또 다른 솔루션 세트를 제공합니다. 배열 및 부품 선택과 관련된 설계 불확실성을 줄이면서 완전히 테스트되고 정량화된 서브 시스템 성능을 제공합니다.

추천 자료

1. '스위치 모드 전원 공급 장치에 대한 전자기 호환성 표준 이해'