낮은 EMI 스위칭 조정기를 사용하여 고효율 전력 설계 최적화

배터리 구동 시스템 또는 배전 시스템을 구현하는 설계자의 경우 저 드롭아웃(LDO) 조정기를 사용할지 스위칭 조정기를 사용할지 여부가 문제가 될 수 있습니다. 스위칭 조정기는 효율성이 높은 점이 항상 장점이지만, 특히 배터리 구동 제품에 적합합니다. 주요 단점은 전원 공급 장치의 고속 스위칭 트랜지스터에서 EMI가 발생한다는 점인데 이는 고집적 콤팩트 설계에서 점차 문제가 될 수 있습니다.

입력 및 출력 필터 회로는 EMI의 효과를 완화하지만, 비용, 회로 실장 면적 및 복잡성을 증대시킵니다. 이러한 문제는 조정기의 성능 또는 효율성에 영향을 주지 않고 EMI를 제한하는 여러 기술이 내장된 차세대 통합 모듈식 스위칭 조정기로 해결되었습니다.

이 기사에서는 휴대용 설계에서 스위칭 조정기의 이점과 필터 회로의 중요성을 간략하게 설명합니다. 그런 다음 Allegro Microsystems, Analog Devices 및 Maxim Integrated의 EMI 필터 내장형 스위칭 조정기를 예를 들어 소개하고 이러한 조정기를 사용하여 전력 공급을 간소화하는 방법을 알아봅니다.

휴대용 설계에서 스위칭 조정기를 사용하는 이유

높은 효율성, 낮은 내전력(열 관리 과제 완화) 및 높은 출력 밀도는 LDO 대신 스위칭 조정기를 선택하는 주요 이유입니다. 상업용 스위칭 조정기 모듈의 효율성(출력 전력/입력 전력 x 100)은 대부분의 부하 범위에서 일반적으로 약 90% ~ 95%로 동급 LDO의 효율성보다 훨씬 우수합니다. 또한 스위칭 조정기는 전압을 승압(“부스트”), 강압(“벅”), 역변환할 수 있으므로 LDO보다 더 유연합니다.

스위칭 조정기의 핵심은 펄스 폭 변조(PWM) 스위칭 소자이며, 에너지 저장 장치용으로 한두 개의 인덕터와 연결된 한두 개의 금속 산화 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)로 구성되어 있습니다. 조정기의 작동 주파수에 따라 단위 시간당 스위칭 사이클 수가 결정되고, PWM 신호의 듀티 사이클(D)에 따라 출력 전압(V_OUT = D × V_IN)이 결정됩니다.

높은 효율성은 휴대용 설계의 장점이지만 스위칭 조정기에서는 비용, 복잡성, 크기, 과도 부하에 대한 느린 응답, 낮은 부하에서 낮은 효율성 등 다양한 트레이드 오프가 존재합니다. 하지만 이러한 트레이드 오프는 개선되고 있습니다. 다른 주요 설계 과제는 전력 트랜지스터의 스위칭 과정에서 생성되는 EMI를 처리하는 것입니다. 스위칭은 회로의 다른 부분에서 전압 및 전류 오버슈트를 발생하여 입/출력 전압 및 전류 리플로 이어지고, 스위칭 주파수에서 과도 에너지가 배수로 급격하게 증가합니다. 전압 리플은 PWM “on” 기간을 마칠 때 절정에 도달합니다(그림 1).

그림 1: 스위칭 전압 조정기의 출력 전압 리플 트레이스는 EMI의 주요 원인인 과도 스파이크를 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

EMI 관리

조정기의 전력 FET 스위칭에서 발생하는 EMI를 줄이는 검증된 방법은 저항기 커패시터(R-C) 스너버 회로를 입력과 출력에 추가하는 것입니다. 이러한 회로를 사용하면 에너지 스파이크를 필터링하고 전압 및 전류 리플을 감쇠하고 결과적으로 EMI를 줄일 수 있습니다. 출력 전압이 2V ~ 5V이고 체계적으로 설계된 스위칭 전원 공급 장치는 피크 간 전압 리플이 10mV ~ 50mV이고 과도 스파이크가 최소 수준인 경우에 적합합니다.

필터 회로용 부품, 특히 입력 및 출력 벌크 커패시터를 선택하는 것은 피크 간 전압 및 전류 리플, EMI 완화에 대한 부품 크기 및 비용의 트레이드 오프와 조정기의 과도 응답 및 루프 보정에 미치는 영향 등을 고려해야 하므로 까다로운 일입니다.

먼저 주요 방정식을 기반으로 설정된 몇 가지 기술을 활용하는 것이 좋습니다. 입력 전압 리플은 ΔV_Q(입력 커패시터 방전에 의해 생성됨)와 ΔV_ESR(입력 커패시터의 등가 직렬 저항(ESR)에 의해 생성됨)로 구성됩니다. 입력에서 지정된 최대 피크 간 전압 리플의 경우 각각 방정식 1과 방정식 2에서 벌크 커패시터의 필수 입력 정전 용량(C_IN)과 ESR을 예측할 수 있습니다.

방정식 1

및:

방정식 2

설명:

I_LOAD(MAX)는 최대 출력 전류입니다.

ΔI_p-p는 피크 간 인덕터 전류입니다.

V_IN은 입력 공급 전압입니다.

V_OUT은 조정기 출력 전압입니다.

f_SW는 스위칭 주파수입니다.

마찬가지로 출력에서 지정된 최대 피크 간 전압 리플의 경우 각각 방정식 3과 방정식 4에서 벌크 커패시터의 정전 용량과 ESR을 결정할 수 있습니다.

방정식 3

및:

방정식 4

ΔV_ESR과 ΔV_Q는 서로 위상 차가 있으므로 직접적으로 가산되지 않습니다. 설계자가 일반적으로 ESR이 낮은 세라믹 커패시터를 선택할 경우 ΔV_Q가 우세하고, 전해 커패시터를 선택할 경우 ΔV_ESR이 우세합니다.

또한 선택되는 출력 정전 용량 및 ESR 값은 빠른 부하 과도 상태에서 원하는 출력에 대한 출력 전압의 허용 편차에 영향을 받습니다. 특히, 출력 커패시터는 과도 상태에서 PWM 듀티 사이클을 높여서 조정기의 컨트롤러가 응답할 때까지 부하 전류를 지원할 수 있어야 합니다. 부하 단계 중 최소 출력 편차에 대한 필수 출력 정전 용량 및 ESR을 계산하려면 각각 방정식 5 및 방정식 6을 사용합니다.

방정식 5

및:

방정식 6

설명:

I_STEP은 부하 단계입니다.

t_RESPONSE는 컨트롤러의 응답 시간입니다.

이러한 계산은 전압 및 전류 리플과 과도 스파이크를 관리하는 데 적절한 부품을 선택하는 데 도움이 되지만 설계자는 커패시터의 내전력(P_CAP)도 고려해야 합니다. 이 값은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

여기서 I_RMS는 RMS 입력 리플 전류입니다.

이 방정식은 지정된 ESR에서 내부 온도 상승이 리플 전류의 제곱에 비례한다는 것을 보여줍니다. 장치가 급격히 가열될 수 있는 큰 리플 전류를 감쇠하기 위해 사용되고 열을 빠르게 방출할 수 없는 경우 커패시터의 전해질이 점점 증발하여 성능이 저하되다가 고장을 일으키게 됩니다. 이러한 결과를 방지하려면 엔지니어는 필요한 것보다 표면적이 더 넓은 더 크고 더 비싼 장치를 선택하여 열 발산을 촉진해야 합니다.

낮은 EMI 조정기 옵션

입력 및 출력 필터링을 통해 전압 및 전류 리플을 완화할 수 있지만 설계 시 피크 간 리플 높이를 최소화하면서 사양을 충족하는 스위칭 조정기를 선택하는 것이 좋습니다. 그러면 내전력으로 인한 필터 커패시터의 스트레스가 완화되어 더 작고 더 경제적인 장치를 사용할 수 있습니다.

전압 및 전류 리플을 최소화하는 한 가지 기술은 전압 모드 제어 체계를 사용하는 것입니다. 이 체계에서는 제어 전압을 비교기 입력 중 하나에 적용하고 고정 주파수의 클록 생성 톱니파 전압(또는 “PWM 램프”)을 다른 비교기 입력에 적용하여 PWM 신호를 생성합니다. 일반적으로 전력 스테이지의 잡음이 제어 피드백 루프로 유입되므로 이 기술은 EMI를 악화시키는 경향이 있습니다. 따라서 대체 전류 모드 제어 체계보다 EMI를 최소화하는 데 더 적합합니다. (DigiKey 라이브러리 기사 DC-DC 스위칭 조정기에서의 PWM 신호 생성을 위한 전압 모드 및 전류 모드 제어 참조)

전압 모드 제어를 고려하는 것 외에도 여러 실리콘 벤더가 전압 및 전류 리플의 크기를 내부적으로 낮추는 데 도움이 되는 다양한 접근 방식을 제공합니다. 한 가지 예는 Allegro Microsystems의 A8660 동기식 벅 컨버터입니다. 이 컨버터는 자동차 AEC-Q100 자격을 충족하는 하이엔드 장치입니다. 조정기는 0.3V ~ 50V 입력(V_IN)으로 작동하고 3V ~ 45V 범위의 출력 조정 가능 전압을 제공합니다. 이 장치는 200kHz ~ 2.2MHz의 프로그래밍 가능 기본 주파수(f_OSC)를 제공합니다. 또한 A8660은 V_OUT 오버슈트 및 원치 않는 전압 스파이크를 제거하기 위해 드롭아웃에서 소프트 복구를 비롯한 다양한 보호 기능을 제공합니다.

EMI를 최소화하기 위한 조정기의 핵심 기능은 PWM 기본 주파수 디더링 기술입니다. 활성화된 경우 내부적으로 설정된 “디더링 스윕”은 스위칭 주파수 주위로 에너지를 분산시켜서 f_OSC를 ±10% 단위로 체계적으로 변경합니다. 디더링 변조 주파수(f_MOD)는 12kHz에서 작동하는 삼각형 패턴을 스윕합니다.

그림 2는 디더링을 활성화 및 비활성화한 상태에서 A8660의 전도성 방출과 복사성 방출을 비교하여 보여줍니다. 두 테스트 설정의 외부 부품과 pc 기판 레이아웃은 동일합니다.

그림 2: 고정 기본 주파수를 사용하는 스위칭 조정기(빨간색)와 주파수 디더링을 조정기(파란색)의 복사성 방출 비교. 작동 파라미터: f_OSC = 2.2MHz, V_IN = 12V, V_OUT = 3.3V, 부하 = 3A. (이미지 출처: Allegro Microsystems)

AM 무선 통신 대역보다 낮은 작동 주파수를 사용하는 설계의 경우(f_OSC < 520kHz) A8660의 동기화 입력을 사용하여 f_OSC와 고조파를 조정하여 EMI를 최소화할 수 있습니다. 이를 위해 외부 클록을 SYNC_IN 핀에 연결하고 A8660의 기본 주파수를 1.2에서 1.5 × f_OSC로 높입니다.

또한 Analog Devices의 LT8210IFE 동기식 벅/부스트 컨트롤러는 삼각 주파수 변조 체계를 제공합니다. 이 경우 LT8210IFE는 공칭 설정 주파수와 해당 값의 112.5% 사이에서 f_SW를 느리게 분산시켰다가 다시 되돌립니다.

또한 이 장치는 스위칭을 일시 중지하여 스위칭 손실을 제거함으로써 EMI를 줄이고 효율성을 높이도록 도와주는 “패스스루”를 제공합니다. 출력이 1V ~ 100V일 때 이 조정기의 입력 범위는 2.8V ~ 100V입니다. 출력 전압 정확성은 ±1.25%이고 최대 역입력 보호는 -40V입니다.

패스스루 모드를 활성화한 경우 조정기의 벅 및 부스트 조정 루프가 독립적으로 작동합니다. 별도의 오류 증폭기를 사용하여 벅 조정기에 대해 프로그래밍된 출력 전압(V_OUT(BUCK))을 부스트에 대해 프로그래밍된 출력 전압(V_OUT(BOOST))보다 높게 설정하여 패스스루 창을 생성합니다. 패스스루가 출력 전압 리플에 미치는 영향을 보여줍니다(그림 3).

그림 3: 패스스루 모드에서 LT8210 조정기는 잡음 입력 소스(빨간색 트레이스)에서 축소된 전압 리플(파란색 트레이스)을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

V_IN이 V_OUT(BOOST)과 V_OUT(BUCK) 사이일 때 출력 전압은 입력을 추적합니다. V_OUT이 V_IN에 가깝게 설정된 경우 LT8210은 낮은 전력 상태(패스스루)로 들어갑니다. 이때 스위치 A와 D는 동시에 켜지고 스위치 B와 C는 꺼집니다. V_OUT이 V_IN을 설정된 비율만큼 초과할 경우 스위치 A, C, D는 꺼지고 출력은 방전되어 V_IN과 거의 같아진 이후에 다시 연결됩니다. (비 스위칭) 패스스루 창에 있는 동안 포지티브 라인 과도 상태가 발생하여 V_IN이 V_OUT을 설정된 비율만큼 초과할 경우 인덕터 전류에서 큰 진폭 링잉을 방지하기 위해 스위칭이 다시 시작됩니다. 소프트 스타트와 비슷한 방식으로 입력 전압에서 출력이 구동되고 V_OUT 설정이 V_IN과 가까워지면 스위치 A와 D가 다시 동시에 켜집니다. 그림 4는 스위칭 토폴로지를 보여줍니다.

그림 4: LT8210 조정기 스위치. 패스스루 모드에서 스위치 A와 D는 동시에 켜지고 스위치 B와 C는 꺼집니다. (이미지 출처: Analog Devices)

Maxim Integrated의 낮은 EMI 제품은 MAX15021ATI+T 벅 스위칭 조정기입니다. 이 조정기는 2.5V ~ 5.5V 입력에서 작동되며 두 개의 출력을 포함합니다. 0.6V에서 입력 공급 크기 사이에서 각 출력을 조정할 수 있습니다. 단일 저항기를 사용하여 500kHz ~ 4MHz 사이에서 조정기의 기본 주파수를 조정할 수 있습니다.

전압 리플을 제한할 수 있도록 전압 모드 제어 체계를 지원하는 외에도 MAX15021에서는 180° 위상 차 클로킹을 사용하여 조정기를 작동할 수 있습니다(그림 5). 최대 4MHz 주파수 스위치 옵션과 함께 해당 기능은 RMS 입력 리플 전류를 대폭 줄여줍니다. 결과 피크 입력 전류 감소와 리플 주파수 증가에 따라 필요한 입력 바이패스 정전 용량과 필요한 커패시터 크기가 감소합니다.

그림 5: MAX15021 이중 조정기는 180° 위상 차에서 작동하여 EMI를 제한합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

결론

모듈식 스위칭 조정기는 높은 효율성이 중요한 경우의 전압 조정에 유용한 옵션입니다. 하지만 대체 솔루션(예: LDO)에 비해 전압 및 전류 리플, 조정기의 스위칭 소자에서 발생하는 과도 전압 스파이크와 같은 트레이드 오프가 있습니다. 필터링되지 않은 경우 이 잡음은 EMI를 발생하여 조정기 근처에 있는 민감한 칩에 영향을 줄 수 있습니다.

입력 및 출력 필터 회로와 같은 확립된 설계 기술을 활용하여 EMI를 감쇠할 수 있지만 대규모 과도 스파이크와 리플을 처리하려면 대형 커패시터가 필요합니다. 그러면 내전력이 커져서 부품이 과열될 수 있습니다.

이제 엔지니어는 전압 및 전류 리플과 과도 스파이크를 줄이는 기능이 내장된 차세대 모듈식 스위칭 조정기에 액세스하여 필터 회로를 추가하지 않은 상태에서도 EMI를 제한할 수 있습니다. 엔지니어는 이러한 조정기를 설계에서 사용하여 입력 및 출력 벌크 커패시터의 크기를 축소하고 필터 회로의 크기와 비용을 줄일 수 있습니다.