레귤레이터 바로 위에 인덕터를 장착하면 열이 부품의 상단과 하단 모두로 확산되어 추가적인 냉각이 가능합니다. 이는 PCB의 면적을 줄이면서 전반적인 냉각 성능을 향상시켜 부품의 수명을 연장시킬 수도 있습니다. 상단과 하단으로 열이 전달되는 비율뿐만 아니라 레귤레이터가 동작 시 도달하게 되는 온도도 PCB 설계에 의해 결정될 것입니다.
소형 부품들은 냉각하기 까다롭지만, 새로운 가능성을 제공하기도 합니다. 그림 1의 아나로그디바이스 LTM4703EY#PBF가 대표적인 예입니다.
- 이 소자의 정격은 1VDC, 최대 12A로 저전압 FPGA 또는 마이크로컨트롤러 코어에 전력을 공급하는 데 사용되는 벅 레귤레이터입니다.
- 외부 저항으로 출력 전압을 설정하기 때문에 5VDC, 12A와 같은 다른 전압도 가능하며, 심지어 음전압도 구현할 수 있습니다.
왜 적층 된 인덕터가 중요한가요?
그림 1을 자세히 보면, 이 49핀 BGA 소자에는 상단 장착 인덕터가 일체형으로 포함되어 있습니다. 이 인덕터는 벅 레귤레이터의 핵심 인덕턴스로서의 역할과 방열판으로서의 역할을 동시에 수행합니다. 참고사항은 다음과 같습니다:
- 인덕터는 소자 특성상 레귤레이터에 비해 낮은 온도를 유지합니다.
- 인덕터는 열을 방출할 수 있는 표면적이 넓습니다.
열 성능 개선
인덕터와 스위칭 레귤레이터 사이에 열 전도 경로를 형성해 주면 인덕터가 방열판 역할을 하게 됩니다. 이러한 구조는 BGA 핀을 통한 열 전달을 대체하기 위함이 아니라, PCB의 방열 패드 면적을 줄일 수 있도록 보조하는 역할을 합니다.
인덕터를 통해 방출되는 열의 양은 레귤레이터를 얼마나 높은 온도에서 가동하느냐에 따라 달라집니다. 대략 전체 냉각의 5~25%를 인덕터가 담당한다고 볼 수 있습니다. 규격서에서 열 설계의 복잡성을 설명하고 모델링 방법으로 유한 요소 해석(Finite Element Analysis. FEA)까지도 제시하고 있으므로 이를 참고하시기 바랍니다.
EMI 개선
일체형 인덕터는 EMI 개선에도 도움이 됩니다. 인덕터를 적층하면 리드 길이가 짧아지고, 결과적으로 안테나처럼 동작할 수 있는 루프가 생길 가능성도 줄어듭니다.
그림 1. LTM4703의 확대 사진. 7개의 BGA 핀과 일체형 인덕터를 볼 수 있다.
기술 팁: 그림 1은 EVAL-LTM4703-AZ 평가 기판에 장착된 LTM4703 레귤레이터를 보여줍니다.
평가 기판은 실제로 동작하는 설계를 살펴볼 수 있는 학습용 플랫폼입니다. 회로 토폴로지, 동작 곡선, 파형, PCB 레이아웃은 물론 BOM까지 확인할 수 있어 특정 부품이 선택된 이유를 이해하는 데 도움이 됩니다.
상단 및 하단 열 방출
열은 레귤레이터의 상단과 하단 모두에서 방출됩니다. 규격서의 다음 내용에 주목해 주시기 바랍니다:
- 그림 2에서 볼 수 있듯이 레귤레이터에서 가장 뜨거운 부분은 인덕터입니다. 여기서 주목할 만한 부분은 별도의 방열판이나 팬 냉각이 없는 상태에서, 레귤레이터가 12VDC 입력을 받아 1VDC, 12A를 공급하고 있었다는 규격서의 결과입니다.
- BGA 핀들은 전기적 그리고 열적 그룹으로 묶여 촘촘하게 배치되어 있습니다. 예를 들어, 그림 3을 보면 오른쪽 상단에 그룹을 형성한 18개의 핀들이 넓은 방열용 전기 접지면에 직접 연결되어 있는 것을 확인할 수 있습니다. 기판 반대편으로 열을 분산시키는데 도움이 되는 서멀 비아 군집도 확인할 수 있습니다.
그림 2. 상단에 장착된 인덕터의 열 방출을 보여주는 열화상 사진.
기술 팁: 평가 기판의 회로도를 살펴보시길 바랍니다. 벅 레귤레이터에 직렬로 연결된 인덕터가 없는데, 이는 인덕터가 LTM4703 레귤레이터의 내부 부품으로 간주되기 때문입니다. 게이트 드라이버나 전력 반도체와 마찬가지로, 인덕터를 제거해서는 안됩니다.
그림 3. 전원 디커플링과 방열에 중점을 둔 PCB 레이아웃.
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저자 소개
미합중국 해안경비대(USCG) 소령(LCDR)으로 전역한 Aaron Dahlen은 디지키에서 애플리케이션 엔지니어로 근무하고 있습니다. 27년간의 군 복무 동안 기술자 및 엔지니어로서 쌓아온 그 만의 전자 및 자동화에 대한 지식은 12년간의 교단을 통해 (상호 연계되어) 더욱 향상되었습니다. 미네소타 주립대학, Mankato에서 전기공학 석사(MSEE) 학위를 받은 Dahlen은 ABET(Accreditation Board for Engineering and Technology, 미국 공학 기술 인증 위원회) 공인 전기공학 과정을 가르치고, EET(Electrical Engineering Technology, 전기공학 기술) 과정의 프로그램 조정관으로 일했으며, 군 전자 기술자에게 부품 수준의 수리에 대해 가르쳤습니다. 미네소타 주 북부의 집으로 돌아와 이런 류의 연구와 글쓰기를 즐기고 있습니다.