개요: 이 글은 스위칭 레귤레이터 보드를 설계하는 일부 기초적인 내용을 설명한다. 스텝 업 스위칭 레귤레이터를 중심으로 검토하겠지만, 여기에서 다루는 개념은 다른 종류의 스위칭 레귤레이터를 사용하는 경우에도 유용할 것이다. 이 글은 접지 구조, 부품 배치, 잡음 간섭 감소, 기생 커패시턴스 및 인덕턴스 감소의 중요성에 대해 설명한다.
스위칭 레귤레이터 보드를 설계하는 최선의 방법을 고려할 경우, 설계의 목적, 즉, ‘특정 크기의 전압을 꾸준히 공급하는 것’을 생각해보면 도움이 된다. 경험이 많은 설계자는 접지 구조에 충분한 주의를 기울여 안정적으로 전압을 공급하도록 한다. 그들은 접지가 결코 완벽할 수 없다는 것을 알고 있다─접지는 "단순하게 접지"인 것이 아니며, 접지 작업이 회로의 성공에 중요한 영향을 미친다. 또한 그들은 다양한 레귤레이터 부품들의 위치에 특별한 주의를 기울인다.
접지
학부생 엔지니어에게 접지를 표시하는 3개의 작은 선을 그리도록 하는 것은 그리 바람직한 생각은 아닐 것이다. 도면의 기호는 접지가 이상적이라는 환상을 심어주는 경향이 있다. 그러나 여러 회로 부품을 전원 장치나 배터리의 마이너스 단자로 연결하는 긴 선을 그리다보면, 접지에 결함이 있다는 것을 곧 직관적으로 알게 된다. 이러한 선들은 전류가 접지면 또는 트레이스의 저항과 인덕턴스를 통해 전원 소스로 다시 흘러들어감으로써 전압 강하를 일으킨다는 것을 암시하며, 이러한 전압 강하는 우리가 일반적으로 제로 볼트라고 부르는 완벽하게 안정적인 전압에서 발생되는 것이다.
그림 1의 승압 컨버터는 왜 불완전한 접지를 고려해야 할 필요가 있는지를 설명해준다. 이 레귤레이터는 컨트롤러 IC 내부의 기준전압과 2개의 피드백 저항에 의존하여 특정 전압을 발생시킨다. 정확한 피드백과 그에 따른 정확한 출력을 얻기 위해서는 기준전압의 접지, 저항 분배기와 출력 커패시터는 동일한 전위(potential)에 있어야 한다. 더 구체적으로 설명하면, 컨트롤러의 아날로그 접지 핀(기준전압의 접지)의 전압과 저항 분배기의 접지 단자 전압이 출력 커패시터의 접지 단자의 전압과 동일해야 한다. 출력 커패시터의 접지 단자 전압은 중요하다. 레귤레이터의 정확한 출력 전압을 요구하는 부하가 보통 출력 커패시터의 옆에 놓이는데다 우리는 피드백이 그러한 접지의 특정 부분을 기준으로 하기를 원하기 때문이다.
그림 1. 이 스텝 업 스위칭 레귤레이터에 대한 성공적인 보드 설계의 기본적인 개념은 다른 스위칭 레귤레이터 토폴로지 설계에도 적용된다.
컨트롤러에 정확한 전압을 다시 흘러들어가게 해야 하는 또 다른 이유가 있다. 지터 없는 스위칭을 달성하기 위해서는 컨트롤러는 출력 전압의 모든 AC 파형(perturbations)의 정확한 영상(picture)을 필요로 한다. 컨트롤러는 피드백을 통해 정확한 영상을 수신한다.
부품 배치
접지 구조 외에도, 레귤레이터 부품을 적절한 배치하는 것이 중요하다. 예를 들어, 컨트롤러 내부의 기준전압은 REF 핀에 인접한 커패시터에 의해 바이패스되어야 하는데, 그렇지 않을 경우 기준전압의 잡음이 출력 전압에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 바이패스 커패시터의 접지 단자는 잡음이 더 많은 전원 접지로부터 분리된 조용한 접지에 연결해야 한다.
왜 우리는 잡음이 많은 접지를 잡음이 없는 접지와 분리시켜야 하는가? 결국, 우리는 두 부분의 접지를 서로 연결해야 하기 때문이다. 이러한 분리는 높은 수준의 스위칭 전류가 아날로그 신호와 동일한 접지 귀환(ground-return) 경로를 통해 배터리나 전원으로 되돌아 흐르지 못하도록 방지하기 위해 필요하다. 이러한 상황이 발생할 경우, 이와 같이 민감한 신호의 접지 경로는 교란되게 되며, 그에 따라 접지의 저항 및 인덕턴스를 통과하는 높은 수준의 스위칭 전류가 귀환 경로를 따라 흐르는 전압의 변동을 초래한다.
잡음이 많은 전원부(power section)를 살펴본다면 이 부분을 회로의 다른 부분과 분리시키는 최적의 방법을 알게 될 것이다. 그림 2는 레귤레이터 전원부의 2개의 전류 경로를 보여준다. MOSFET이 ON일 때, 전류는 입력 루프를 흐른다. MOSFET이 OFF이면 전류는 출력 루프를 흐른다. 2개의 각 루프를 구성하는 부품을 서로 인접하여 배치할 경우 고전류가 레귤레이터의 전원부에 (그리고 잡음이 없는 부품의 접지 귀환 경로로부터) 존재한다. 따라서 CIN, L1, Q1은 서로 가까이 배치해야 한다. 또한 CIN, L1, D1 및 COUT도 가까이 배치해야 한다. 서로 인접한 부품을 보다 명확히 표시하기 위해 그림 2에서는 두 개의 루프가 다소 과장되게 그려졌다.
그림 2. 여기에 그려진 2개의 각 전류 루프를 구성하는 부품들을 서로 인접하여 배치할 경우 특별한 주의가 요구된다. 길이가 짧고 폭이 넓은 트레이스를 사용하여 이와 같이 빈틈없는 설계를 구현한다면, 효율은 높이고 링잉(ringing)은 줄이며 회로의 잡음이 없는 부분에 미치는 간섭을 방지하는데 도움이 된다.
실제 설계는 언제나 다소의 절충이 수반된다. 위에서 언급한 2개 루프를 구성하는 부품을 설계하는 경우도 이와 같은 절충이 적용된다. 실제로 인접하여 배치해야 하는 부품 중 어느 부품을 함께 배치할지 결정해야 하는 경우, 각 루프의 어떤 부품에서 불연속 전류를 통과하게 할지 결정한다. 스트레이 인덕턴스를 최소화하기 위해서는 이 부품들이 서로 인접하여 배치해야 하는 가장 중요한 부품들이다. 아래의 기생 커패시턴스 및 인덕턴스 최소화를 참조한다.
다른 고려사항들
스텝 업 레귤레이터를 배터리로 구동하든 전원장치로 구동하든, 전원 소스는 영(zero)이 아닌 저항을 보인다. 이것은 레귤레이터가 전원 소스로부터 급격히 변하는 전류를 사용함에 따라 전원 소스의 전압이 변동한다는 것을 의미한다. 이러한 영향을 줄일 수 있도록 보드 설계자는 입력 바이패스 커패시터(들)를 앞에서 설명한 2개의 전원 루프에 가까이 배치한다(때로는 2개의 커패시터가 사용되는데, 세라믹 커패시터와 극성(polarized)이 있는 커패시터를 병렬로 연결한다). 이러한 인접 배치는 전원부에 공급되는 전압을 안정시키기 위한 작업이 아니다. 전원부에 공급하는 전압이 변동하더라도 전원부는 여전히 원활하게 동작한다. 대신, 바이패스 커패시터를 전원 루프 옆에 배치하는 것은 높은 AC 전류를 전원부로 제한하는데 도움이 된다. 이렇게 하면 이와 같은 고전류가 잡음이 없는 회로에 간섭하지 못하도록 방지할 수 있다.
이와 같은 간섭은 어떠한 방식으로 발생할 수 있는가? 다음과 같은 세 가지 경로를 통해서이다. 첫째, 앞에서 언급했듯이 전원부의 접지 귀환 전류가 레귤레이터의 아날로그 회로를 구성하는 민감한 부분의 접지 귀환 경로의 일부 또는 전부를 흐를 경우, 이러한 전류가 내부 저항 및 인덕턴스로 인해 해당 접지 경로에 스위칭 잡음을 추가하게 된다. 이러한 접지 잡음은 레귤레이터 출력의 정확도를 떨어뜨리고 동일한 보드에 있는 다른 민감한 회로를 교란시킬 수 있다. 둘째, 접지 경로와 유사한 문제로 배터리 또는 전원장치의 (+) 레일에 존재하는 스위칭 잡음이 동일한 레일에 의해 구동되는 다른 부품으로 전도될 수 있다. 여기에는 내부의 기준전압이 바운싱(bouncing)될 수 있는 컨트롤러 IC가 포함된다. 컨트롤러의 전원 핀에 R/C 필터를 추가하면 입력 바이패스 커패시터 양단의 전압이 변동할 경우 도움이 될 수 있다. 셋째, AC 전류가 흐르는 영역이 클수록, 이러한 전류가 생성하는 자기장이 커지고, 따라서 이런 전류들이 간섭을 일으킬 가능성이 더 커진다. 입력 바이패스 커패시터를 전원부에 가까이 배치할 경우 이러한 영역과 그에 따른 전위 간섭을 최소화할 수 있다.
또한 2개의 분배기 저항을 부적절하게 배치할 경우 잡음이 문제를 일으킬 수 있다. 2개의 저항을 컨트롤러의 FB 핀 옆에 배치하면 상대적으로 잡음이 없는 전압이 컨트롤러에 다시 흘러들어가도록 보장할 수 있다. 이러한 방식으로 저항을 배치하면 저항 분배기의 중간 지점으로부터 스위칭 레귤레이터의 FB 핀까지의 트레이스 길이가 최소화된다. 저항 분배기와 FB 핀의 내장 비교기 입력이 모두 하이 임피언스이므로, 이들을 연결하는 트레이스는 스위칭 레귤레이터가 불가피하게 생성하게 되는 잡음을 (주로 용량성 커플링을 통해) 검출(pick up)하는 경향이 있기 때문에 이러한 트레이스의 최소화는 반드시 필요하다. 그러나 레귤레이터 출력으로부터 저항 분배기의 "윗면"으로 연결되는 트레이스와 저항 분배기의 "밑면" 또는 접지 면으로부터 출력 커패시터의 접지 면으로 연결되는 트레이스는 상대적으로 길게 할 수 있다. 스위칭 레귤레이터의 낮은 출력 임피던스가 이러한 트레이스 상에 존재하는 결합된 잡음을 감소시키기 때문이다.
스트레이 커패시턴스 및 인덕턴스 최소화
그림 1 회로에서 전압이 급격하게 변하는 노드를 찾아보면 어디에서 커패시턴스를 최소화할지 알 수 있다. 커패시터의 전압은 급격히 변하는 것을 좋아하지 않기 때문이다. 인덕터, 다이오드, MOSFET이 만나는 접합점에 의해 형성되는 노드는 회로의 전원부에서 이러한 특성을 갖는 유일한 포인트이다. 즉, 이 노드는 스위치가 ON이면 접지 전원에 가까우며, 스위치가 OFF이면 출력 전압을 초과하여 다이오드 전압강하까지 상승한다. 이러한 노드에서 스트레이 커패시턴스를 최소화하는 방식으로 보드 트레이스를 실행하도록 한다. 만약 스트레이 커패시턴스가 이러한 노드의 전압 천이를 느리게 한다면 레귤레이터의 효율이 떨어진다. 이 노드의 크기를 작게 유지하는 것은 스트레이 커패시턴스를 감소시키는데 도움이 될 뿐 아니라 여기에서 방출되는 EMI도 줄여준다. 그러나 폭이 좁은 트레이스가 아닌, 폭이 넓고 길이가 짧은 트레이스를 사용하여 노드 영역을 작게 유지하도록 한다.
전류가 빠르게 변하는 회로 분기(circuit branch)를 찾으면 어디에서 인덕턴스를 최소화할지 알 수 있다. 커패시터 양단의 전압을 떠올린다면 인덕터를 흐르는 전류도 빠르게 변하는 것을 좋아하지 않는다는 것을 알 수 있다. 인덕턴스를 흐르는 전류가 급격히 변할 경우, 해당 인덕턴스에서 전압이 스파이크 또는 링잉을 발생시켜 잠재적 EMI 문제를 일으킬 수 있다. 또한 이러한 링잉 전압의 진폭은 다양한 회로 부품에 손상을 입힐 수 있을 만큼 충분히 높을 수 있다.
그림 3은 회로의 3개 분기에 대한 전류 파형을 보여준다. 전류 I1는 상대적으로 점진적으로 변하므로 문제가 되지 않는다. 게다가, 이 부분에는 L1 자체에 대형 인덕턴스가 이미 존재한다. 그러나 MOSFET과 직렬로 연결된 인덕턴스는 실제로 문제를 일으킬 수 있다. 전류 l3가 급격히 변하기 때문이다. 이러한 직렬 인덕턴스는 I3의 귀환 경로(return path-up)에 있는 모든 부분으로부터 CIN의 접지 단자에 이르는 인덕턴스를 포함한다. 즉, 접지 귀환 경로(ground return path) 자체의 인덕턴스 뿐만 아니라 Q1의 리드(lead)로부터 발생하는 스트레이 인덕턴스도 포함된다. CIN을 흐르는 전류는 급격히 변하지 않는다. 이 전류는 인덕터 전류(I1)의 AC 부분과 동일하다. (배터리는 DC 부분에 인가된다) 또한 빠르게 변하는 전류는 MOSFET이 OFF일 때 형성되는 루프의 일부를 통과한다. 이 전류(I2)는 접지 귀환 경로에 있는 구리(copper) 뿐 아니라 D1과 COUT를 모두 흐르므로, 따라서 이러한 부품의 인덕턴스와 접지 귀환 경로의 스트레이 인덕턴스는 최소화해야 한다.
그림 3. 스위칭 레귤레이터 회로의 분기의 전류 파형은 어디에서 스트레이 인덕턴스를 최소화할지 알려준다. 급격히 변하는 전류(예: I2 및 I3)는 해당 경로의 인덕턴스를 최소화해야 한다는 것을 의미한다.
부하의 리드(lead)에 있는 인덕턴스가 문제를 발생시킬 수 있는지에 대해서 생각해 본다면, 충분히 낮은 ESR에서 출력 커패시터가 충분히 크다면 해당 전압은 상대적으로 안정적이라는 사실을 기억하도록 한다. 이것은 부하 저항을 흐르는 전류는 크게 변하지 않으며, 따라서 부하 저항과 직렬로 연결된 인덕턴스는 부하 자체가 급격히 변하지만 않는다면 문제가 되지 않는다는 것을 의미한다.
타당성 있는 보드 설계 생성하기
스위칭 레귤레이터 회로의 접지 부분을 다루는 데에는 몇 가지 방법이 있다. 하나는 모든 접지 연결에 대해 단일 접지 면(ground plane)을 사용하는 것으로, 이 방법은 그다지 좋은 방법이라고 할 수 없다. 이 기법을 사용할 경우, 회로의 전원 부분에서 발생하는 접지 전류는 저항 분배기, 특정 컨트롤러 핀을 바이패스하는데 사용되는 커패시터, 컨트롤러의 아날로그 접지, 또는 이 세가지 모두의 접지 전류와 동일한 접지 경로를 흐를 수 있으므로, 접지가 바운싱될 수 있다.
아마도 가장 좋은 방법은 2개의 별도의 접지 부분을 생성하는 것이다. 즉, 전원 부품을 위한 접지 부분과 레귤레이터의 잡음이 없는 보다 깨끗한 아날로그 부분을 위한 접지 부분을 생성한다. 그림 4a를 참조한다. 전원 회로의 접지 부분은 입/출력 커패시터 접지 단자와 MOSFET의 소스로 구성된다. 이러한 연결은 반드시 길이가 짧고 폭이 넓은 트레이스를 사용하여 수행해야 한다. 전원 회로의 접지 트레이스(및 다른 전원 트레이스)의 폭을 최대로 하고 길이를 최소화하면 저항을 줄일 수 있어 효율이 향상된다.
아날로그 접지부는 컨트롤러의 아날로그 접지 핀, 저항 분배기 접지 단자 및 특정 컨트롤러 핀을 바이패스하는 모든 커패시터(메인 입력 바이패스 커패시터 CIN은 제외)의 접지 단자에 대한 접지 귀환 경로를 제공한다. 아날로그 접지는 접지면(plane)을 형성할 필요는 없다. 대신, 전류가 낮은 수준이고 상대적으로 일정하므로 길고 넓은(spread-out) 트레이스를 사용할 수 있다. 트레이스 저항과 인덕턴스는 중요한 요소가 아니다.
그림 4a와 같이 컨트롤러의 AGND 핀을 PGND 핀에 연결한다. 이 핀들에 있는 2개의 접지부를 연결하면 아날로그 접지 내부에서는 어떤 스위칭 전류도 순환되지 않는다. AGND와 PGND의 연결은, 실제로 이 경로에는 어떠한 전류도 흐르지 않기 때문에 상대적으로 폭을 좁게 할 수 있다. AGND 핀을 COUT의 접지 단자에 직접 연결하는 것이 이상적이긴 하지만, 많은 컨트롤러 IC는 이러한 두 개의 접지 핀을 서로 직접 연결할 것을 요구한다(이렇게 하지 않을 경우 두 핀 사이의 전압이 이들 사이에 연결된 다이오드를 동작할 만큼 충분히 클 경우 문제를 일으킬 수 있다). PGND에서 COUT로 연결되는 트레이스를 짧고 넓게 만들면, 피드백 저항과 컨트롤러 내부의 기준전압은 본질적으로 레귤레이터 출력과 동일한 접지 전위를 공유할 수 있다. 이 사실은 중요한데, 이와 같은 부품이 바로 출력 전압을 제어하기 위해 만들어졌기 때문이다.
그림 4. 별도의 아날로그 및 전원 접지 영역을 사용하여 높은 진폭의 전원 접지 전류와 잡음이 없는 깨끗한 아날로그 접지 전류를 분리시키므로, 이러한 깨끗한 전류가 흐르는 경로를 보호한다.
때로는 아날로그 또는 접지의 전원 부분에 연결해서는 안 되는 컨트롤러를 바이패스하는 커패시터가 있다. 스텝 업 스위칭 레귤레이터의 V+ 핀(위에서 언급)을 바이패스하는 R/C 필터가 이러한 예이다. 그러한 경우 커패시터의 접지 핀은 잡음이 너무 많아 아날로그 접지에는 적합하지 않다. 마찬가지로, 전원 접지는 잡음이 너무 많아 커패시터에는 적합하지 않다. 그러므로 이러한 커패시터는 컨트롤러의 AGND와 PGND 핀을 연결하는 트레이스에 직접 (또는 컨트롤러가 오직 하나의 접지 핀만 제공하는 경우에는 GND 핀에 직접) 리턴해야 한다.
마지막으로, 보드 레이어의 수는 PCB 설계에서 일정한 역할을 한다. 다중 레이어 보드의 경우, 내부(inner) 레이어 중 하나를 차폐로 사용할 수 있다. 차폐 레이어를 사용하면 부품을 잡음이 많은 부품에서 멀리 떨어뜨려 보드의 반대편에 배치할 수 있으므로 간섭의 가능성이 거의 없어진다. 차폐 레이어와 통합하는 경우, 차폐를 통해 전원 부품의 접지면 리드를 연결하는 것은 일반적으로 좋은 방법이 아니다. 대신, 전원 부품의 전류가 어디로 흐르고 어떠한 영향을 미치는지 익히 잘 알고 있으므로, 전원 부품들은 분리된 제한된 영역 안에서 연결하도록 한다.
레이어의 수와 상관없이 전원 부품의 접지 연결은 최상층 레이어에서 수행한다. 이렇게 하면 다른 접지를 교란하지 않는 알려진 경로로 전류를 제한할 수 있다. 만약 이렇게 하는 것이 불가능하다면, 절연된 구리 조각과 비아(via)를 사용하여 다른 레이어를 통해 이러한 연결을 수행할 수 있다. 각 연결의 경우, 여러 개의 비아를 병렬로 사용하면 저항과 인덕턴스를 줄일 수 있다.
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