2020년 9월 21일 월요일

T Technical Report

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회로의 기초가 되는 전원 및 스위칭 전원 레이아웃

 Bill Laumeister Maxim Integrated
 
 
지진 빈발 지역의 고층 건물과 마찬가지로 우수한 회로 설계는 견실한 기초 위에서 오랜 수명과 유용성을 제공할 수 있다.
 
완벽한 전자기기 전원은 가정과 공장에 공급되는 교류(AC)를 전자기기에서 사용하는 직류(DC)로 변환한다. 완벽한 세계에 존재한다면 직류는 AC의 잡음이나 리플 또는 고조파가 없으며 DC 전원의 기준이 되는 접지 또한 깨끗한 초기 상태를 유지하게 되지만 엔지니어는 우리의 세계가 완벽함과는 거리가 멀다는 사실을 곧 깨닫게 된다. 그것은 우리가 모든 제한에도 불구하고 기술과 지식을 이용해 원하는 결과를 얻어야 한다는 것을 의미한다.
 
먼저 우리는 전자기기가 동작하는 환경을 이해해야 하는데 거기에는 종종 무선 주파수 간섭이 동일한 인쇄 회로 기판(PCB)에서 동작하는 디지털 회로뿐 아니라 외부 송신기에서도 발생하는 것을 발견한다. AC 플러그부터 살펴보기로 하자. 대부분의 경우 그림 1과 같은 전력선 필터는 바람직하다.
 

그림 1. 공통 모드 초크 전력선 필터
 
필터의 주요 목적은 소자를 양쪽으로부터 대칭적으로 보호하는 역할을 하는데 있다. 필터는 방사가 전력선으로부터 소자로 들어가거나 소자로부터 다시 전력선으로 들어가는 것을 방지한다. 따라서 박스에서 발생하는 방사뿐 아니라 안으로 들어가는 신호 감응성에 대한 테스트가 필요하다.
 

보드 레벨에서 나타나는 일반적인 레이아웃 오류
일반적으로 견고한 접지와 전원을 갖는 다층 기판은 최고 수준의 신호 무결성을 생성한다.
 
섀시와 각 기판에서 접지 스타 포인트를 선택하는 것은 적절한 시작이다. 일부 경험이 없는 사용자는 접지를 모든 나쁜 요소와 간섭이 사라지는 만능 장소로 생각한다. 때때로 어떤 사용자는 접지 스타 포인트에서 시작하지만 그런 다음 귀선 전류를 각 회로 유형으로부터 개별적으로 접지 스타 포인트로 다시 흐르게 않는다. 그림 2는 그러한 오류를 보여준다.
 


그림 2. 시스템의 접지 바운스 오류
 
스타 접지를 갖는 5V 전원으로부터 시작하기로 한다. 잡음이 있는 디지털 회로는 +5V 전원과 접지에 모두 잡음을 추가한다. 우리는 아날로그 회로가 깨끗한 3.3V 전압을 필요로 한다는 것을 알고 있지만 개별적인 와이어를 +5V 전원과 접지를 각각 다시 스타 포인트로 흐르게 하기보다 게으른 방법을 사용한다. 깨끗한 3.3V 전원을 만들기 위해서는 LDO가 필요하다(아니면 그렇다고 생각한다). 실제로 선형 레귤레이터는 언제나 기준 또는 접지에서 정확히 3.3V 이상 출력을 유지하므로 접지가 빨간 화살표와 같이 위 아래로 튀는 현상을 보이고 LDO가 동작한다면 +3.3V 출력은 접지 바운스를 따라 위 아래로 튀는 현상이 나타날 것이다. 이제 우리는 아날로그와 디지털 와이어를 각각 다시 스타 포인트로 흐르게 하지 않았기 때문에 문제 해결에 얼마나 많은 시간을 들여야 하는지 물어보아야 한다. 그림 3은 아날로그 회로를 연결하는 보다 나은 방법을 보여준다.
 
 

그림 3. 적절한 접지와 전원 스타 포인트의 사용.
이것은 전원과 접지가 스타 포인트에서 모두 깨끗하다는 것을 의미한다.
 
그림 3에서 보듯이 스타 포인트에서 전원과 접지가 깨끗하다는 의미는 스타 포인트에서는 전원과 접지가 동질적이라는 것을 의미한다. 전원과 접지 사이에는 차동 잡음이 없다. 이상적으로 전원 출력은 영에 가까운 임피던스를 갖거나 관심 있는 주파수에서 낮은 등가 직렬 저항(ESR)을 갖는 디커플링 커패시터를 갖는다. 다양한 회로를 접지와 전원 스타 포인트에 연결하는 개별적인 도체는 직렬 저항과 인덕턴스를 갖는다. 깨끗한 회로로부터 잡음이 있는 회로를 절연하기 위해서는 이러한 저항과 인덕턴스에 의존한다. 직렬 저항과 인덕턴스뿐 아니라 각 회로 블록의 출력에 있는 디커플링 커패시터도 저역 통과 필터를 형성한다. 서로 다른 회로 블록에 연결되는 배선이 비교적 짧다면 개별 저항과 인덕턴스를 추가할 필요가 있다.
 
디커플링은 커패시터가 기생 인덕턴스를 갖기 때문에 복잡하다. 실제로 커패시터는 그림 4에서 보듯이 직렬 RLC 회로로 표시된다. 커패시턴스는 낮은 주파수에서 우세하지만 자기 공진 주파수(SRF) 이상에서는 그림 5에서 보듯이 각 그래프의 딥(dip)은 커패시터의 임피던스가 유도적인 특성을 갖는 것처럼 보이기 시작하는 지점이 된다. 따라서 커패시터는 디커플링 목적으로만 커패시터가 관심 있는 주파수에서 낮은 임피던스를 보일 때 SRF에 가깝거나 미만의 주파수 범위 이상에서 유용하다.




그림 4. 내재적인 기생 성분을 갖는 커패시터
 
주파수와 커패시터 임피던스
 
그림 5. 커패시터 및 6개의 값과 각각의 자기 공진 지점
 
그림 5는 다양한 커패시터 값에 대한 일반적인 SRF 성능을 보여준다. 이들 그림으로부터 SRF는 그래프에서 딥(dip)으로 뚜렷하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 그림은 또한 작은 값의 커패시터보다 낮은 주파수에서 커패시턴스가 클수록 우수한 디커플링(낮은 임피던스로 나타남)을 제공하는 것을 보여준다. 무료 SPICE 프로그램을 이용하여 커패시터 자기 공진 그래프를 그릴 수 있다.
 

스위칭 전원 통합 회로 레벨에서 나타나는 특정 레이아웃 오류
 


그림 6. MAX17501 스위칭 전원의 간략화한 회로도
 
그림 6에서 고전류의 빠른 상승 시간 스위칭 펄스를 나타내는 2개의 다른 접지 기호(삼각형)에 주의할 필요가 있다. 이것은 고주파수 고전류 펄스를 아날로그 소신호 또는 기준 접지로부터 절연하므로 중요하다.
 
그림 6에서 세라믹 입력 필터 커패시터[v](C1)는 소자의 VIN 핀에 가깝게 배치한다. 이 커패시터는 전력 저장소 역할을 해 커패시터가 없다면 DC 전원으로 다시 전달되었을 전력 펄스를 매끄럽게 한다.  스위칭 펄스의 상승 시간에 따라 이 커패시터는 여러 개의 서로 다른 크기를 갖는 커패시터로 구성해 대형 주파수 범위를 지원할 수 있다. VCC 핀에 대한 바이패스 커패시터 또한 VCC 핀에 가능한 가깝게 배치해야 한다. 이 커패시터 또한 여러 개의 커패시터로 구성할 필요가 있을 수 있다. 가장 효율적인 열 방출을 위해서는 소자의 노출 패드 아래 많은 수의 비아를 제공해야 한다.
 

그림 7. 접지와 접지 스타 포인트 고전류 루프(빨간색 점선 내부) 간 절연
 
그림 7의 전류 루프는 스위칭 전원에서 가장 중요한 부분이다. 이 부분에서의 작은 변화도 효율과 잡음 방사되는 전자기와 무선 간섭에 치명적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 2개의 접지를 절연하는 것은 안정적인 동작을 위해 필수적이다. 이 루프는 펄스된 전류를 포함하므로 PCB 트레이스는 매우 짧아야 하며 기생 인덕턴스를 감소시키기 위해 가능한 넓어야 한다. 이 전류 루프의 간단한 변경은 우수한 레이아웃과 그렇지 못한 레이아웃의 차이를 만들어낸다. 최소 루프를 만들기 위한 노력은 나쁜 레이아웃을 20% 향상시키고 인덕터를 90°회전시키는 것만으로 훌륭한 레이아웃이 될 수 있다. 비아에 내재하는 직렬 인덕터를 감소시키려면 2 4 또는 그 이상의 병렬 비아가 필요하다.
 
그림 7을 보면 작은 원을 포함하고 있는 비아 원을 볼 수 있다. 이것은 보드 하단의 전원 접지면과 접지 스타 포인트에 연결되는 전원 접지 면 연결(회로도 상의 접지 삼각형)이다. X 표시가 있는 비아 원은 기준과 신호 안정성을 위한 접지이다. 이들은 보드의 하단에서 개별적인 접지면에 연결되고 접지 스타 포인트에서 전원면에 연결된다. 아날로그 소신호 또는 기준 접지 및 스위칭 전류를 위한 전원 접지는 각각 별도로 유지해야 한다. 이들은 스위칭 동작이 최소가 되는(스타 포인트) 지점 일반적으로 VCC 바이패스 커패시터의 리턴 단자에서 함께 연결해야 한다.
 
플러스 기호가 있는 비아 원은 출력 전압을 피드백 핀에 연결한다. 이것은 인덕터와 전원 루프로부터 가능한 빠르게 벗어나도록 라우팅할 필요가 있다. 피드백 핀은 그림 8에서 보는 것처럼 피드백 핀의 입력 커패시턴스와 함께 저역 통과 필터를 생성하므로 직렬 저항(R4)은 피드백 핀에 가능한 가까워야 한다.
 

그림 8. R4가 출력 핀에 가까우면 피드백 핀(FB/VO)에 연결되는 긴 리드는 안테나 역할을 한다.
 
 
레이아웃 경험이 없는 사용자는 회로도를 보고 그림 8과 같이 R4를 전원 출력에 가깝게 배치할 수 있다. 그러나 인덕터는 페라이트 코어를 갖는 비차폐 와이어 코일이므로 피드백 핀(오렌지색 점선 표시 원)으로 누화되는 전자기장을 강화한다. 그 결과 이는 피드백 핀과 R4 사이의 와이어가 안테나가 되는 불안정한 동작을 발생시켜 스위칭 에지를 증가시킨다.
 
 
그림 9. 와이어 간 누화는 용량성 자기 정전기 또는 이들의 결합이 될 수 있다.
 
 
그림 9에서 와이어 A는 높은 레벨의 소스이며 와이어 B는 높은 임피던스 수신기이다. 와이어 B를 멀리 이동시키거나 임피던스를 낮추면 누화를 감소시킬 수 있다.
 

그림 10. 적절한 신호 라우팅은 누화를 최소화한다.
R4와 "내부 C"의 결합은 누화를 감소시키는 저역 통과 필터의 역할을 한다.
 
기억해 두어야 할 사항은 전원 스위칭은 단 수십 킬로헤르츠만으로 동작할 수 있지만 누화되고 방사되는 것은 스위칭 에지 고조파라는 사실이다. 고조파는 수백 메가헤르츠로 확대될 수 있으므로 제어할 필요가 있다. 이에 따라 그림 10은 전원 출력 핀을 피드백 핀에 연결하는 보다 나은 방법이다. 트레이스는 고전류 루프(그림 7)와 인덕터 L1로부터 떨어지게 했다. R4는 오렌지색 원으로 표시된 모든 간섭을 감쇄시킨다. R4를 MAX17501 피드백 핀에 가까이 배치하면 R4의 저역 통과 필터링과 내부 커패시턴스가 향상된다.
 
지금까지 우리는 기본 개념을 설명하기 위해 내부 스위칭 트랜지스터를 포함하는 소자의 가장 간단한 레이아웃을 살펴보았다. 외부 트랜지스터를 갖는 소자에 대해서는 다른 Maxim Integrated 튜토리얼과 애플리케이션 노트를 참조한다.
결론
 
신중한 전원 레이아웃에 들이는 시간은 많은 이점을 가져다주고 효율적이고 조용한 전원을 구현할 수 있게 한다. 이는 다시 모든 회로에 요구되는 우수하고 깨끗한 전원 및 접지를 제공함으로써 나머지 회로에 견실한 기초가 된다. 설계 엔지니어가 갖는 또 다른 이점은 우수한 전원 및 접지를 설계하면 다른 회로 문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있다는 점이다. 잡음이 존재하는 전원과 접지에서 산발적이고 간헐적으로 발생하는 오류를 찾아내는 일은 끔찍한 악몽이 될 수 있다. 경험이 많은 엔지니어는 전원 레이아웃을 과소평가하거나 경험이 거의 없는 엔지니어에게 맡김으로써 그 중요성을 간과하는 일은 결코 하지 않는다. 전원 레이아웃은 그만큼 중요하다.
 
참고문헌
 
 
  1. Maxim Integrated tutorial 3630 Power Supply and Ground Design for a WiFi Transceiver Figures 2 and 3.
    http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/3630
  1. KEMET SPICE Software Kemet® The Capacitance Company (Capacitor Self-Resonance) (Freeware).
    http://www.kemet.com/Spice
  1. Johanson Technology JTIsoft®(프리웨어)는 2종류의 첨단 설계 시뮬레이션 소프트웨어 패키지인 MLCsoft® 및 MLIsoft®로 구성된다. 이 소프트웨어는 1MHz ~ 20GHz 주파수 범위에서 Johanson의 RF 멀티레이어 세라믹 커패시터 및 인덕터 라인에 완벽한 S-파라미터 및 SPICE 모델링 데이터를 제공한다.
    http://www.johansontechnology.com/modeling-software/jtisoftr-overview.html#.VCC3ZBYXPEc
  1. AVX Corporation Spice 소프트웨어 웹사이트 http://www.avx.com/SpiApps/default.asp.
  1. American Technical Ceramics Circuit Designer’s Notebook (Capacitor handbook). http://www.atceramics.com/Userfiles/cdn_nb_brochure.pdf
  1. Maxim Integrated tutorial 2997 Basic Switching-Regulator-Layout Techniques March 25 2004. http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/2997
  1. Maxim Integrated application note 4944 Layout Guidelines Maximize Automotive Power-Supply Performance and Minimize Emissions
    http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/4944
  1. Maxim Integrated tutorial 716 Proper Layout and Component Selection Controls EMI http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/716
  1. Maxim Integrated application note 3645 Correct Board Layout Lowers EMI of Switchmode Converters http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/3645
 
상표
Kemet은 KRC Trade Corporation의 등록 상표이다.
JTIsoft는 Johanson Technology Inc.의 등록 상표이다.
MLCsoft는 Johanson Technology Inc.의 등록 상표이다.
MLIsoft는 Johanson Technology Inc.의 등록 상표이다.