ADI의 Silent Switcher μModule® 조정기로 응용 제품의 잡음 제거

민감한 전자 응용 분야에서 무잡음은 존재하지 않으며 문자 그대로 있을 수 없는 일입니다. 전원 공급 장치에서 모든 전자기 간섭(EMI) 잡음을 제거하기란 사실상 불가능하기 때문입니다. 이러한 문제를 완화시키는 다양한 설계 접근 방식에는 복잡성을 증가시키는 상호 절충 관계가 포함된 경우가 많습니다.

엔지니어는 무선 주파수 전원 공급 장치(증폭기), 고속 데이터 컨버터, 민감한 계측, 의료 영상 및 진단 시스템과 같이 잡음에 민감한 응용 제품에서 EMI를 줄이기 위해 노력합니다. 이는 일반적으로 추가 부품, 차폐, 필터의 벌크업을 의미하며 이 모두는 복잡도, 비용, 크기, 무게를 증가시킬 수 있습니다.

SMPS(스위치 모드 전원 공급 장치) 및 전자 기반 컨버터는 자동차 시스템, 가전 제품, 산업 자동화, 전기 통신의 여러 응용 제품의 설계를 복잡하게 만드는 EMI의 주된 원인입니다.

빠른 스위칭을 통해 DC-DC 컨버터는 물론 AC-DC 정류기, DC-AC 인버터, AC/AC 컨버터의 에너지 손실을 최소화할 수 있습니다. 그러나, 빠른 스위칭에는 EMI 전도 및 방사를 일으킬 수 있는 고주파 에너지 및 과도 현상 발생 비용이 따릅니다.

EMI는 시스템 성능을 저하시키고, 무선 주파수를 방해하며, 부품 오작동을 일으키고, 심박 조율기 및 자동차 안전 시스템과 같은 중요 장치의 작동을 방해할 수 있습니다. 이러한 시스템에서 EMI를 일으키는 주요 원인은 두 개 이상의 컨덕터에서 동일한 방향으로 흐르는 공통 모드 전류로, 자기장을 유도합니다.

미국의 대부분 또는 많은 전자 응용 제품은 비 RF 장치에서의 간섭을 비롯하여 유해한 간섭을 방지하도록 설계된 연방 통신 위원회 파트 15 규정을 준수해야 합니다. 국제 산업 및 통신 응용 제품은 CISPR 22 클래스 B를 준수하고 자동차 응용 제품은 CISPR 25 국제 표준을 준수해야 합니다. 다른 지역에도 유사한 준수 증명이 있습니다.

EMI 테스트는 설계 주기의 마지막에 수행되는 경우가 많으므로 문제 및 수정 조치가 있을 경우 제품 지연으로 이어져 많은 비용을 초래할 수 있습니다. 더 심각한 문제는 EMI 문제가 현장에서 발견될 경우 원인을 정확하게 찾아내기가 더 어렵고 비용이 많이 드는 교정 작업이 필요할 수 있다는 것입니다.

EMI에 대응하기 위해 여러 유형의 부품을 활용할 수 있습니다. LDO(저드롭아웃) 선형 조정기는 전압 과도 현상 및 전원 공급 장치 잡음으로부터의 다운스트림 부하를 보호하기 위한 일반적인 저비용 접근 방식입니다. 그러나 솔루션의 부피가 커질 수 있으며 필요한 보호 기능이 부족한 경우가 많습니다.

높은 PSRR(전원 공급 장치 제거율)을 가진 고급 LDO는 잡음 억제를 향상시키지만 효율성 또는 열 성능을 직접 개선하지는 않습니다. 스위칭 조정기와 함께 사용할 경우 높은 효율과 낮은 잡음을 결합할 수 있습니다.

설계자는 또한 EMI를 전파하는 루프 영역을 최소화하고 잡음이 많은 민감한 회로를 분리하기 위해 PCB 레이아웃 작업에 집중할 수 있습니다. 많이 사용되는 또 다른 보완 접근 방식은 금속 및 금속 합금과 같은 EMI 차폐 재료로 부품을 분리하거나 둘러싸는 것입니다. 저잡음 증폭기를 활용할 수도 있습니다.

종종 함께 사용되는 이러한 EMI 감소 기법 각각은 설계 복잡도를 증가시키므로 개발자는 간소화를 찾게 됩니다.

EMI 설계 문제 간소화

SMPS 설계를 기반으로 하는 응용 제품의 증가는 엄격한 EMI 요구 사항을 충족하는 데 숙련된 설계자 인원 수를 앞지르고 있습니다. 많은 디지털 설계자들이 아날로그 전원 공급 장치 설계자의 부족으로 발생하는 기술 격차를 보완해 달라는 요청을 받고 있습니다. 이러한 동향은 SMPS 설계의 복잡도 증가와 함께, 프로세스를 간소화하기 위해 SMPS 부품의 통합을 향상시켜야 하는 필요성을 암시합니다.

Analog Devices, Inc.(ADI)는 2015년 Silent Switcher^® 기술 도입을 통해 EMI 설계 문제를 간소화했습니다. PCB(인쇄 회로 기판) 설계를 간소화하면서 스위칭 기법을 최적화하는 것을 목표로 했습니다. LT8640과 같은 1세대 Silent Switcher 장치는 접착 전선을 사용하여 다이를 기판에 연결하는 대신 구리 기둥 플립 칩 패키징을 사용하여 기생 저항을 줄였습니다. 또한 고주파 효율을 향상시키도록 설계된 연쇄 전동 장치를 통합했습니다.

이러한 1세대 장치는 또한 단일 고전류 '핫 루프'를 서로 대립되는 흐름을 가진 이중 루프로 분할하여 전파되는 EMI를 상쇄했습니다. 단일의 대형 핫 루프는 높은 기생 요소와 강력한 자기장을 가지므로 방사선의 형태로 EMI에 기여할 수 있습니다. Silent Switcher 장치는 또한 내부 스위치 구동기를 통합하여 스위칭 전력 손실을 최소화했습니다.

2017년, ADI는 Silent Switcher 2 아키텍처를 기반으로 하는 저 EMI 모놀리식 동기식 벅 컨버터를 소개했습니다. 이 세대의 장치(예: LT8640S-2)는 새 LQFN 패키지 내에 커패시터, 핫 루프, 접지면을 통합하여 외부 부품에 대한 의존도를 줄였습니다. 이를 통해 솔루션 크기를 줄이고 PCB 레이아웃 민감도를 제거하여 EMI 성능을 향상시켰습니다. 또한, Silent Switcher 2 장치에는 추가적인 구리 기둥과 대형 노출 패드가 포함되어 있어 열 성능 및 효율성이 향상되었습니다.

2021년, ADI는 매우 낮은 EMI를 유지하면서 초저 저주파 잡음 성능, 초고속 과도 응답, 높은 스위칭 주파수에서의 높은 효율을 특징으로 하는 LT8627SP 동기식 강압 조정기가 포함된 업데이트된 Silent Switcher 3 아키텍처를 소개했습니다. 또한 주변 온도가 높은 응용 제품을 수용하기 위해 선택적으로 방열판을 연결할 수 있는 노출형 다이 상단을 제공합니다.

Silent Switcher 3 µModule 조정기

Silent Switcher 3 기술은 이제 ADI의 µModule® 고집적 COP(Component On Package) 전력 솔루션으로 제공됩니다. 이 패키징은 향상된 열 성능을 제공하고 전체 솔루션 크기를 더욱 줄여주므로 작고 효율적이며 신뢰할 수 있는 전력 솔루션을 구현합니다.

µModule 조정기의 다른 주요 이점에는 DC/DC 조정기의 설계, 테스트, 인증에 필요한 시간 및 노력 감소가 포함됩니다. ADI는 컨트롤러, 전력, MOSFET, 인덕터 및 기타 지원 부품을 단일의 콤팩트한 패키지에 통합합니다. 이는 다양한 전기 통신, 네트워킹 및 산업용 장비 응용 분야, RF 전원 공급 장치, 저잡음 계측 및 고속/고정밀 데이터 컨버터를 위한 전력 솔루션으로 활용할 수 있습니다.

LTM4702(그림 1)는 초소형 6.25mm × 6.25mm × 5.07mm BGA 패키지의 완전한 8A 강압 μModule 조정기로, 낮은 EMI 및 높은 효율을 위해 Silent Switcher 기반 조정기 IC가 통합되어 있습니다. 이 장치는 3V ~ 16V의 입력 전압 범위에서 작동하며 0.3V ~ 5.7V의 출력 전압을 지원합니다.

그림 1: ADI의 LTM4702 μModule은 향상된 콤팩트 패키지에 컨트롤러, 전력 MOSFET, 인덕터 및 기타 지원 부품을 통합합니다. 이 장치는 잡음에 민감한 응용 제품에서 사후 LDO에 대한 필요성을 줄여줍니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

더 높은 출력 전류를 생성하기 위해 여러 LTM4702를 병렬로 연결하여 작동할 수 있습니다. 각 LTM4702의 PHMODE 핀을 서로 다른 전압 레벨로 프로그래밍하면 최대 12개의 위상을 병렬로 연결하여 동시에 역위상으로 실행할 수 있습니다.

또한, LTM4702 동기식 스위칭 조정기는 이례적일 정도로 뛰어난 저주파 출력 잡음(10Hz ~ 100kHz)을 제공합니다. 이 조정기는 고전류 및 잡음에 민감한 응용 제품에 매우 적합합니다. 이 장치는 RT 핀에서 접지까지 연결된 저항기를 사용하여 300kHz에서 3MHz로 스위칭하도록 프로그래밍할 수 있는 정주파수 PWM 아키텍처를 사용합니다.

단일 저항기는 출력 전압 피드백에 대한 단위 이득과 출력 전압에 관계없이 거의 일정한 출력 잡음을 제공하도록 LTM4702의 출력 전압을 설정합니다. 잡음에 민감한 대부분의 응용 제품의 경우 LTM4702는 사후 조정 LDO 및 LC 필터가 필요 없으므로 입력 및 출력 커패시터만 있으면 설계를 완료할 수 있습니다.

LTM4702의 성능을 설정 및 평가하는 데 EVAL-LTM4702-AZ 평가 기판(그림 2)을 사용할 수 있습니다.

그림 2: ADI의 EVAL-LTM4702-AZ 평가 기판은 설계자에게 LTM4702 성능 평가에 필요한 강압 DC/DC 스위칭 컨버터를 제공합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

LTM8080(그림 3)은 열적 기능이 향상된 9mm × 6.25mm × 3.32mm 오버몰드 BGA 패키지에 통합 EMI 실드로 분리된 이중 초고 PSRR LDO 조정기와 Silent Switcher DC/DC 조정기를 통합하는 40V_IN, 이중 500mA 또는 단일 1A 장치입니다. 이 장치는 200kHz ~ 2.2MHz의 스위칭 주파수 범위와 0V ~ 8V의 출력 전압 범위를 지원합니다.

그림 3: ADI의 LTM8080 μModule은 콤팩트한 패키지에 EMI 실드로 분리된 이중 LDO와 Silent Switcher DC/DC 조정기를 통합합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

프런트 엔드 스위칭 조정기는 최대 1.5A 연속 전류를 제공할 수 있는 비분리형 강압 스위칭 DC/DC 전원 공급 장치입니다. 백엔드 LDO 선형 조정기는 ADI의 초저잡음(10kHz 기준 2nV/√Hz) 및 초고 PSRR(1MHz 기준 76dB) 아키텍처를 활용합니다. LDO 출력을 병렬로 연결하여  출력 전류를 높일 수 있습니다.

설계자는 LTM8080을 평가하기 위해 4V ~ 40V의 넓은 작동 범위를 갖는 DC3071A(그림 4) 데모 회로를 사용할 수 있습니다.

그림 4: DC3071A 데모 회로에는 각각 조정 가능한 3.3V/0.5A의 2개 출력을 가진 LTM8080 µModule을 포함합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

결론

ADI의 Silent Switcher μModule 조정기는 잡음에 민감한 전자 응용 제품의 EMI 문제를 해결할 수 있는 견고한 솔루션을 제공합니다. 매우 콤팩트하고 효율적인 시스템 인 패키지 설계에 고급 Silent Switcher 3 기술을 통합한 이 μModule 조정기는 설계를 간소화하고 열 성능을 향상시키며 대부분의 시나리오에서 LDO 사후 조정기에 대한 필요성을 제거합니다.

고속 데이터 컨버터 및 RF 시스템부터 의료 영상 및 산업용 장비에 이르기까지, 이러한 μModule 조정기는 기존 EMI 감소 방법의 추가된 복잡성 없이 엔지니어가 초저잡음 및 고효율을 달성할 수 있도록 지원합니다. LTM4702 및 LTM8080과 같은 제품을 통해 Analog Devices는 가장 잡음이 중요한 응용 제품에서도 최신 전자 부품의 엄격한 요구 사항을 충족하는 혁신적인 솔루션 제공을 계속적으로 주도하고 있습니다.