깨져버린 신화: LDO 수치에 근접하게 줄일 수 있는 고전류 스위칭 조정기 IC 잡음

지속적으로 진화하는 기술 환경에서 극적인 발전에도 불구하고 변화에 저항하는 오래된 '통념' 및 가정이 있습니다. 충전용 배터리의 수명을 연장하려면 배터리를 완전히 방전한 다음 충전하라고 말하는 사람이 아직도 있습니다. 고전적인 니켈 카드뮴(NiCad) 화학 물질의 경우 이 말이 맞을 수도 있지만, 오늘날의 리튬 전지의 경우 완전히 틀린 말이며 실제로 배터리 수명에 해로울 수 있습니다.

강압(벅) DC-DC 스위칭 조정기, 특히 수십 볼트의 높은 입력 전압으로 작동하고 최대 10A의 높은 전류를 전달하도록 설계된 조정기에도 동일한 오해가 적용됩니다. 일반적으로 선형 비스위치 토폴로지를 사용하는 저드롭아웃 조정기(LDO)는 잡음이 거의 없지만 상당히 비효율적이라고 생각합니다. 반면에 스위칭 조정기(스위처)는 비교적 잡음이 많지만 매우 효율적입니다.

스위처에 대한 우려는 추정 잡음을 능가합니다. 스위처는 효율적이지만('스윗 스팟' 부하에서 작동할 경우 일반적으로 85% 이상) 세 가지 부정적인 요소가 관련되어 있습니다.

1: 스위처는 전기적 잡음이 심하며, 전부는 아니지만 대부분의 잡음이 스위칭 주파수와 고조파에서 발생합니다.

2: 스위처는 과도 응답이 부족하며 폐쇄 루프 응답을 응용 분야에 맞게 신중하게 조정하지 않을 경우 불안정 및 발진을 일으킬 수 있습니다.

3: 고전력 스위처는 외부 MOSFET이 필요하며 MOSFET이 내장된 조정기가 아닌 스위칭 장치 컨트롤러로 작동하므로 더 많은 부품과 기판 공간이 필요합니다.

하지만 각각 8A 출력을 지원할 수 있는 Analog Devices의 유사한 세 가지 65V 모놀리식 Silent Switcher 동기식 벅 조정기인 LT8645S, LT8646S, LT8645S-2에서 입증된 대로 최근의 발전과 혁신적인 토폴로지로 인해 상황이 변경되었습니다(그림 1).

그림 1: Silent Switcher 벅 조정기 내부 기능에 대한 제품 구성도는 복잡하지만, 주요 성능 향상을 실현하는 데 사용된 기술을 세부적으로 보여줄 수 없습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

세 장치 간의 작지만 뚜렷한 차이점을 활용하여 응용 분야에 가장 적합한 특정 구성을 선택할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 세 스위칭 조정기는 흡사하지만 특정 응용 분야에 중요할 수 있는 몇 가지 미묘한 구성 차이가 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

먼저 잡음에 대해 살펴보겠습니다. 잡음은 스위칭 조정기와 관련하여 가장 자주 언급되는 문제입니다. 우수한 LDO가 저잡음 출력의 기준을 결정한다는 것은 의심의 여지가 없지만, 이러한 고급 스위칭 조정기는 놀랄 정도로 근접한 기능을 제공합니다.

잡음을 걱정하는 이유

조정기 출력 잡음은 다양한 측면에서 시스템 성능을 저해합니다.

• 특히 공급 마진이 매우 적은 낮은 레일 전압에서 작동하는 회로에서 부하 IC의 일관되고 안정적인 성능에 영향을 줄 수 있습니다.
• 잡음은 센서 프런트 엔드와 같은 아날로그 신호 정밀도를 훼손하므로 궁극적으로 달성될 수 있는 성능 수준에 영향을 줍니다.
• 출력 레일 잡음은 복사 및 전도성 전자파 장해(EMI)의 원인이 될 수 있습니다. 방사 잡음이 있는 경우 최종 제품이 널리 사용되는 CISPR 25 복사 EMI 테스트와 같은 많은 응용 분야별 규정 중 하나 이상에 실패할 수 있으므로 특히 우려됩니다.

걱정할 필요가 없습니다!

기본적으로 Analog Devices의 Silent Switcher 아키텍처는 낮은 잡음과 그에 따른 우수한 EMI 성능을 보장합니다. 또한 모놀리식 장치로서 이 성능은 인쇄 회로 기판(pc 기판) 레이아웃에 민감하지 않으므로 부품과 레이아웃 유도 EMI가 설계 관심사에서 제거됩니다.

Silent Switcher 조정기에서 이러한 결과를 어떻게 얻을 수 있을까요? 설계자들이 클록 및 기타 잡음 원인이 나타나는 모든 방법을 살펴본 다음 각각에 대한 해결 방법을 고안했습니다. 잡음의 두 가지 주요 원인은 스위칭 아키텍처에 내재된 '핫 루프'와 트레이스 유도 용량 및 링잉입니다.

핫 루프를 해결하려면 Silent Switcher 설계에서 핫 루프를 두 개의 대응 루프로 분할하여 전류 흐름이 서로 효과적으로 상쇄되도록 합니다. 트레이스 유도 용량을 해결하려면 외부 부품과 해당 배치의 변동성을 제거하여 성능을 보장하면서 바이패스 유도 용량 온칩을 통합하여 pc 기판 트레이스 유도 용량 관련 문제를 제거합니다. 그러면 복사성 방출 성능이 CISPR 25 제한을 쉽게 충족할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 핫 루프 문제를 제거하고 일체형 바이패스 커패시터를 추가하는 등의 개선을 통해 Silent Switcher 조정기의 방사선은 규제 최대값보다 훨씬 낮습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

장치의 전도 잡음도 낮지만 규제 제한이 덜 엄격하다는 것에 주목할 필요가 있습니다. 또한 전도 잡음은 페라이트 비드를 사용하여 쉽게 줄일 수 있지만, 방사 잡음은 감쇠하는 데 어려움이 있으며 비용이 많이 들고 복잡한 차폐가 필요할 수도 있습니다.

이러한 스위칭 조정기는 기본적으로 과도 응답을 개선합니다. 부하 이동에도 불구하고 명확하고 엄격한 규제를 제공하고 다양한 작동 조건에서 루프 안정성을 유지합니다(그림 4). 유연성을 강화하기 위해 LT8646S 장치는 설계자가 과도 응답을 최적화할 수 있도록 외부 저항기 커패시터(RC) 보정을 허용합니다.

그림 4: Silent Switcher 조정기는 기본적으로 빠르고 명확하고 일관된 과도 응답을 생성하여 부하 변경에도 불구하고 견고하고 안정적인 DC 출력 레일을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

마지막으로 고전력 MOSFET을 통합하여 다양한 이점을 제공합니다.

• MOSFET에 대한 pc 기판 트레이스를 제거하여 잡음 방출 감소
• 규격서에 따라 완벽하게 작동 가능한 출력 레일 성능에 일치하는 입력 공급
• 전체 실장 면적 축소: 8A 조정기는 6mm × 4mm LQFN 패키지에 실장되며 전체 회로에 단 몇 개의 수동 소자 부품만 필요합니다(그림 5).

그림 5: LT8645S-2(또는 제품군의 다른 부품)를 기반으로 하는 전체 공급 조정기 서브 시스템은 콤팩트하며 짧은 부품 명세서(BOM)를 포함합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

마지막으로 중요한 질문입니다. 이러한 고전압 고전류 Silent Switcher 조정기를 사용할 때 효율성 저하 또는 패널티가 있나요? 결국 선형 공급 대신 스위처를 사용하는 주된 이유는 단연 높은 효율성입니다.

답변은 간단합니다. 이러한 장치의 효율성이 잡음이 더 큰 조정기에 상당하기 때문입니다(그림 6). 1A ~ 최대 8A 내에서 약 90% ~ 96% 효율을 제공하며 '스윗 스팟'은 2A ~ 4A 사이입니다.

그림 6: 전류 출력 값이 매우 낮은 쪽과 높은 쪽을 제외하고 8A Silent Switcher 조정기의 효율은 약 95%입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

스위칭 조정기는 고효율이라는 매우 중요한 장점을 제공하지만, 회로, 시스템, 규제 요건에 과도한 방사 잡음을 일으키는 원인이 될 수 있습니다. Analog Devices의 Silent Switcher DC-DC 조정기의 혁신적인 아키텍처는 원하는 성능 속성을 훼손하지 않으면서 기존 스위칭 조정기의 이러한 단점을 해결합니다.

관련 내용

Analog Devices, “Monolithic 65V, 8A Step-Down Regulators with Fast Transient Response and Ultralow EMI Emissions”

https://www.analog.com/en/design-notes/monolithic-65v-8a-step-down-regulators-with-fast-transient-response-and-ultralow-emi-emissions.html

Analog Devices, “What Actually Is a Hot Loop?”

https://www.analog.com/en/technical-articles/what-actually-is-a-hot-loop.html