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스위치 모드 전원 공급 장치의 보드 배치 황금률
Frederik Dostal, ADI의 전원 관리 전문가
이 기사는 스위치 모드 전원 공급 장치의 설계에 있어 중요한 측면인 보드 배치의 최적화를 달성하기 위한 기초에 대해 설명합니다. 좋은 배치는 스위칭 레귤레이터가 안정적으로 기능할 수 있도록 하며 전도(conducted) 전자파 간섭(EMI)뿐만 아니라 방사(radiated) 간섭까지도 최소화합니다. 전자제품 개발자들에게는 널리 알려져 있습니다. 그러나, 스위치 모드 전원 공급 장치의 최적화된 보드 배치가 어떻게 생겼는지는 일반적으로 알려져 있지 않습니다.
그림 1. 촘촘한 간격의 부품과 그에 따라 보드 배치가 빈틈 없는 LT8640S 스위칭 레귤레이터 보드.
그림 1은 LT8640S 기반의 평가 보드인 DC2530A를 보여줍니다.
이는 최대 42V의 입력 전압을 견딜 수 있는 스텝 다운(벅) 스위칭 레귤레이터로 최대 6A의 출력 전류용으로 설계되었습니다. 모든 부품들이 매우 빈틈 없이 배치되어 있습니다. 보드에서 최대한 가깝게 부품을 배치하는 것은 일반적인 권장 사항입니다. 이 문구가 거짓은 아니지만, 최적화된 보드 배치를 얻는 것이 목적이라면 이 또한 특별히 적합하지는 않습니다. 그림 1에는 소수의(11개) 수동 부품이 스위칭 레귤레이터 IC를 둘러싸고 있습니다. 이 수동 부품들 중 어느 것이 다른 것에 비해 배치 시 우선 순위가 높고 왜 그럴까요?
스위칭 레귤레이터 PCB 설계에서, 가장 중요한 규칙은 높은 스위칭 전류가 흐르는 회로선을 가능한 짧게 배선하는 것입니다. 이 규칙을 성공적으로 구현한다면, 스위칭 레귤레이터 보드 배치의 많은 부분이 적절하게 처리될 것입니다.
그림 2. 스텝-다운 스위칭 레귤레이터의 회로도와 빨간색으로 표시된 전류가 급격히 변하는 경로.
보드 배치 시 이 황금률을 구현하는 가장 쉬운 방법은 무엇일까요? 첫 번째 단계는 스위칭 레귤레이터 토폴로지에서 어느 경로가 가장 중요한지 알아내는 것입니다. 이 경로들에서, 전류 흐름은 스위치가 전환됨에 따라 변화합니다. 그림 2는 스텝-다운 컨버터(벅 토폴로지)에 대한 일반적인 회로를 보여줍니다. 중요한 경로는 빨간색으로 표시되어 있습니다. 이 경로는 파워 스위치의 상태에 따라 전체 전류가 흐르거나 흐르지 않는 선들을 연결하고 있습니다. 이러한 경로는 가능한 짧아야 합니다. 벅 컨버터의 경우, 입력 커패시터는 스위칭 레귤레이터 IC의 VIN 핀과 GND 핀 사이에 가능한 가까이 배치해야만 합니다.
그림 3. 스텝-업 스위칭 레귤레이터의 회로도와 빨간색으로 표시된 전류가 급격히 변하는 경로.
그림 3은 부스트 토폴로지를 사용하는 회로의 기본 회로도를 보여줍니다. 이 회로에서는, 낮은 전압이 높은 전압으로 변환됩니다. 또 다시, 파워 스위치의 스위칭에 따라 전류 흐름이 변화하는 전류 경로가 빨간색으로 표시되어 있습니다. 흥미롭게도, 입력 커패시터의 배치는 전혀 중요하지 않습니다. 가장 중요한 것은 출력 커패시터의 배치입니다. 플라이백 다이오드(또는 상측(high-side) 스위치) 뿐만 아니라 하측(low-side) 스위치의 접지 연결부에 가능한 가까워야 합니다.
다음으로, 다른 스위칭 레귤레이터 토폴로지를 조사해 파워 스위치가 전환될 때 전류 흐름이 어떻게 변하는지에 대한 정보를 산출할 수 있습니다. 고전적인 방법은 회로를 출력해서 색이 다른 세 개의 펜을 사용해 전류 흐름을 그리는 것입니다. 한 가지 색을 파워 스위치가 전류를 전도하는 시간인 on 시간 동안의 전류 흐름을 나타내는 데 사용합니다. 두 번째 색은 파워 스위치가 꺼진 시간인 off 시간 동안의 전류 흐름을 나타냅니다. 그리고 마지막으로, 세 번째 색은 첫 번째 색 또는 두 번째 색으로만 표시된 모든 경로에 사용합니다. 파워 스위치의 전환에 따라 전류 흐름이 변화하는 중요한 경로를 명확하게 식별할 수 있습니다.
경험이 부족한 회로 설계자들은 종종 스위칭 레귤레이터의 보드 배치를 흑마술처럼 여깁니다. 가장 중요한 규칙은 스위치 전환에 따라 전류 흐름이 변화하는 회로선을 가능한 짧고 컴팩트하게 설계하는 것입니다. 이는 쉽게 설명할 수 있고, 논리적인 관계를 따르며, 그리고 스위치 모드 전원 공급 장치 설계에서 최적화된 보드 배치에 대한 기초입니다.
저자 정보
Frederik Dostal은 본 업계에서 20년 이상의 경험을 가진 전원 관리 전문가입니다. 독일 Erlangen 대학교에서 초소형 전자 공학을 전공한 후, 2001년 National Semiconductor에 입사하여 필드 애플리케이션 엔지니어(Field Applications Engineer)로 일하면서, 고객의 프로젝트에 전원 관리 솔루션을 구현하는 경험을 많이 쌓았습니다. National에서 일하는 동안, 애플리케이션 엔지니어(Applications Engineer)로서 스위치 모드 전원 공급 장치 관련 업무를 하며 4년을 미국 애리조나주 피닉스에서 보냈습니다. 2009년 Analog Devices에 입사한 이후로, 제품 라인 및 유럽 기술 지원을 위한 여러 직책을 맡았으며, 현재는 전원 관리 전무가로서 기판 설계 및 애플리케이션 지식들을 활용하고 있습니다. Frederik은 독일 뮌헨에 있는 ADI 사무실에서 근무하고 있습니다.
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영문 원본: The Golden Rule of Board Layout for Switch-Mode Power Supplies