헬로티 서재창 기자 |

 

 

조용환(Yonghwan Cho) 선임 애플리케이션 엔지니어, 키스 솔루샤(Keith Szolusha) 애플리케이션 디렉터 / 아나로그디바이스

자동차 애플리케이션 회로는 방송 및 모바일 서비스 주파수 대역과 간섭을 피하기 위해 엄격한 EMI 표준을 만족해야 한다. 대부분의 경우, 사일런트 스위처 및 사일런트 스위처 2 솔루션은 이러한 EMI 표준을 만족하는 성능에서 상당한 차이를 만든다.

 

그렇다 하더라도 신중한 레이아웃은 언제나 필수다. 이 글에서는 특히 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러를 위한 두 가지 가능한 솔루션을 살펴보고, EMI 챔버 결과를 비교해 보기로 한다. 

 

4-스위치 벅-부스트는 벅 컨트롤러와 부스트 컨트롤러를 단일 IC에 결합한 것으로, 출력이 입력보다 낮을 때는 벅으로 동작하고 출력이 입력보다 높으면 부스트로 동작한다. 출력과 입력이 유사한 영역에서는 4개의 모든 스위치가 동작한다.

 

아나로그디바이스(이하 ADI)의 전력 제품 연구팀은 캘리포니아 산타클라라에 있는 사내 EMI 챔버를 사용해 원래의 듀얼 핫 루프 동기식 레이아웃의 효과를 알아보고, EMI 표준을 통과하기 위해 EMI 잡음을 억제하기 위한 대체 레이아웃 사용이 가능한지에 대한 조사를 시작했다. 

 

듀얼 핫 루프 레이아웃은 EMI 잡음을 억제하기 위해 전력 MOSFET 주위에 핫 루프 세라믹 커패시터를 대칭으로 배치한다. ADI 고유의 센스 저항 위치는 인덕터와 나란히 있으면서 핫 루프밖에 있기에 이러한 루프를 매우 작게 만들 수 있어 핫 루프의 안테나 효과를 최소화한다.

 

이러한 대칭을 달성하고 스위치 노드(들)가 가까운 인덕터에 도달하도록 하려면 스위칭 노드 비아가 필요하지만, 이는 핫 루프 영역에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. CISPR 25 규격 EMI 챔버를 사용해 연구팀은 스위칭 노드의 노출과 커다란 핫 루프 영역은 특히 감쇠하기 가장 어려운 주파수 범위인 30MHz(FM 라디오 대역) 이상의 주파수 대역에서 원치 않는 전도 EMI를 발생한다는 사실을 알게 됐다. 

 

단일 핫 루프를 사용하는 원래의 벅-부스트 레이아웃은 전력 MOSFET과 핫 루프 커패시터를 재배열해 최소 핫 루프를 향상시킨다. 이 레이아웃은 듀얼 핫 루프의 상대 개념으로 단일 핫 루프라고 부른다. 단일 핫 루프를 사용할 때 이점은 스위칭 손실이 더 작을 뿐 아니라 최소화된 핫 루프 영역과 스위칭 노드의 노출로 인해 30MHz 이상의 주파수 범위에서 전도 방사(CE)가 감쇠된다는 점이다.

 

듀얼 핫 루프에 사용된 것과 동일한 컨트롤러 IC 및 전력 부품을 새로운 레이아웃에 사용해 발생한 EMI 잡음을 듀얼 핫 루프의 것과 비교함으로써 효과를 검증했다. 이 실험에는 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러 LT8392와 두 버전의 데모 회로(DC2626A rev.2 및 rev.3)가 사용됐다. 

 

 

레이아웃 비교

 

그림 1은 듀얼 핫 루프와 단일 핫 루프의 레이아웃과 조립된 보드 사진을 보여준다. 각 보드는 상단 레이어(레이어 1), 레이어 2, 레이어 3, 하단 레이어(레이어 4)의 4레이어로 구성된다. 그림에는 상단과 하단 레이어만 보인다. 

 

그림 1(a)에서 보듯이 핫 루프 커패시터는 중앙 MOSFET의 왼쪽과 오른쪽에 배치돼 동일한 핫 루프를 형성한다. 스위칭 노드 비아는 스위칭 노드 SW1 및 SW2를 하단 레이어(그림 1(c)에 표시)와 레이어 3을 통해 주 전력 인덕터에 연결하는 데 사용된다. SW1 및 SW2 상단 레이어 구리 노드는 인덕터와 MOSFET의 열을 발산하기 위해 넓은 영역에 배치된다.  

 

그러나 이렇게 넓게 노출된 SW1 및 SW2 구리 노드는 EMI 방사의 원인이 되기도 한다. 보드를 섀시 접지 가까이에 장착하면 섀시와 스위칭 노드 구리 사이에 기생 커패시턴스가 형성된다. 따라서 고주파 잡음이 스위칭 노드에서 섀시 접지로 흘러 시스템의 다른 회로에 영향을 미친다.

 

CISPR 25 규격의 EMI 챔버에서 고주파 잡음은 EMI 구성 및 LISN의 접지 테이블을 통과한다. 노출된 스위칭 노드 역시 안테나 역할을 하여 복사 방출되는 EMI 잡음을 발생한다.

 

그러나 그림 1(d)에서 보듯이 단일 핫 루프에는 하단 레이어에 노출된 스위칭 노드 구리가 없다. 그림 1(b)와 같이 상단 레이어에서, 핫 루프 커패시터는 MOSFET의 한 쪽에만 배치되므로 스위칭 노드 비아를 사용하지 않고도 스위칭 노드를 인덕터에 연결한다. 

 

단일 핫 루프 레이아웃에서 상단 및 하단 MOSFET은 나란히 정렬되지 않지만, 핫 루프를 가능한 작게 만들기 위해 그 중 하나는 90° 회전된다. 그림 1(e)과 1(f)에서 노란색으로 표시된 상자로 듀얼 핫 루프와 단일 핫 루프의 핫 루프 크기를 비교할 수 있다. 상자는 단일 핫 루프의 핫 루프가 듀얼 핫 루프 크기의 절반밖에 되지 않는다는 것을 알 수 있다.

 

여기에서는 그림 1(a)에 보이는 듀얼 핫 루프의 0402 핫 루프 커패시터 2개를 사용하지 않고, 가장 작은 핫 루프를 만들기 위해 1210 핫 루프 커패시터를 MOSFET에 매우 가까이 붙였다.

 

0402 커패시터 패드에 가까이 있는 솔더 마스크는 1210 커패시터의 원활한 연결을 위해 제거한다. 또한, 인덕터 패드에 가까운 솔더 마스크는 단일 핫 루프 회로에 동일한 인덕터를 사용하기 위해 제거한다. 더 작은 핫 루프는 루프의 전체 인덕턴스가 더 작다는 것을 의미한다.

 

따라서 스위칭 손실이 감소되고 스위칭 노드와 스위칭 전류의 LC 링잉이 감쇠된다. 또한 복사 방사가 해당 범위에서 전도 EMI에 영향을 미치기에 더 작은 루프는 30MHz 이상에서 전도 EMI를 낮추는 데 기여한다.

 

 

ADI의 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러는 고유의 피크 벅·피크 부스트 전류 모드 제어 방식으로 크기가 매우 작은 핫 루프를 형성할 수 있다. 전류 감지 저항은 주 인덕터와 직렬로 연결된다. 이와 달리, 경쟁사의 컨트롤러 부품은 밸리 벅·피크 부스트 전류 모드 제어 방식을 사용하는데, 이러한 방식에서는 전류 감지 저항을 하단 MOSFET의 소스와 접지 사이에 배치해야 한다. 

 

그림 2는 이러한 부품 중 하나로서 권장되는 벅-부스트 레이아웃을 보여준다. 노란색 상자에서 볼 수 있듯이 핫 루프가 듀얼 핫 루프 또는 단일 핫 루프보다 크다. 이뿐 아니라 감지 저항의 기생 인덕턴스가 핫 루프의 전체 인덕턴스를 증가시킨다.

 

EMI 비교

 

듀얼 핫 루프와 단일 핫 루프의 각각의 EMI를 CISPR 25 규격 EMI 챔버에서 측정했으며, 그림 3에 CISPR 25 클래스 5 표준의 제한값과 함께 표시했다. EMI 결과는 차이를 비교하도록 동일한 그래프에 표시했다. 듀얼 핫 루프는 노란색 선으로, 단일 핫 루프는 빨간색 선으로 표시했다.

 

회색 선은 주변 조건에서 측정된 노이즈 플로어다. 그림 4에서 보듯이 듀얼 핫 루프의 하단 레이어의 노출된 스위칭 노드는 구리 테이프로 접지 차폐돼 더 작은 핫 루프가 얼마나 효과적인지 보여준다. 구리 차폐 없는 듀얼 핫 루프의 방사는 그림 3의 결과보다 훨씬 높다. 출력은 12V, 8A이고 입력 전압은 회로가 4-스위치 스위칭 모드에서 동작할 수 있도록 13V로 설정되었다.
 
 

 

그림 3(a)는 각각 전압 방법의 전도 방사(CE) 피크와 평균을 나타낸 것이다. 단일 핫 루프는 30MHz 이상에서 5dBµV 더 낮은 CE를 가지며, 피크 및 평균 CE에 대한 CISPR 25 Class 5를 모두 만족하는 반면, 듀얼 핫 루프는 FM 및 VHF 대역(68MHz ~108MHz)에서 평균적으로 오버슈트를 보인다(노란색 상자 참조). 

 

이러한 주파수 범위에서 5dBµV를 줄이기란 어려운 일이다. 단일 핫 루프는 감쇠하기 가장 어려운 영역인 30MHz의 고주파수 범위에서만이 아니라 AM 대역(0.53MHz ~1.8MHz)을 포함하는 저주파수(<2MHz)에서도 효과적이다. 특히 CE인 경우, 전기적으로 연결된 모든 시스템에 영향을 주므로 낮은 방사를 갖는 것이 항상 더 좋다. 

 

전류 프로브 방법은 CISPR 25 Class 5에서 지정하는 또 다른 측정 방법이다. 이 방법은 DUT로부터 50mm 및 750mm가 되는 두 가지 다른 위치에서 공통 모드 전도 방사를 측정하는 반면, 전압 방법은 공통 모드와 차동 모드의 혼합 전도 방사를 측정한다.

 

그림 3(b)와 3(c)는 듀얼 핫 루프와 단일 핫 루프의 전류 프로브 방법의 전도 방사를 비교한 것이다. 노란색 상자에서 볼 수 있듯이 단일 핫 루프는 30MHz 이상에서 특히 FM 대역에서 더 낮은 전도 방사를 갖는다는 것을 알 수 있다. 전압 방법 전도 방사와 달리, AM 대역 주위의 저주파수에서는 단일 핫 루프가 듀얼 핫 루프에 비해 갖는 이점은 크지 않다. 
 
 

 

마지막으로 그림 3(d)는 두 가지 다른 벅-부스트 레이아웃의 복사 방사(RE)를 보여준다. 듀얼 핫 루프가 90MHz 주위에서 단일 핫 루프보다 5dBµV/m 더 높은 스파이크를 갖는다는 점만 제외하면 결과는 거의 동일하다. 

 

열 비교

 

듀얼 핫 루프와 단일 핫 루프의 열 비교는 그림 5에 나와 있다. 열 영상은 확산 스펙트럼 주파수 변조(SSFM)를 작동시키고 9.4V 입력 전압에서 촬영한 것이다.

 

9.4V는 출력 전압이 12V일 때 동작 모드가 2-스위치의 순수한 부스트로 전환하기 전 4-스위치 동작 영역의 가장 낮은 지점이다. 따라서 테스트 조건은 가장 혹독하다. 듀얼 핫 루프, 부스트 측 하단 MOSFET 및 단일 핫 루프의 가장 뜨거운 구성요소는 거의 동일한 온도를 갖는다. 

 

단일 핫 루프는 하단 레이어에 열을 발산할 수 있는 스위칭 노드 비아와 구리가 없지만, 더 작은 핫 루프로 인해 스위칭 손실이 듀얼 핫 루프보다 낮다. 또한, 단일 핫 루프는 스위칭 노드 비아를 사용하지 않으므로 MOSFET 드레인 패드와 스위칭 노드 구리의 접촉 영역이 듀얼 핫 루프보다 커서, 상단 레이어에서 열 발산이 더 뛰어나다. 

 

 

맺음말

 

이 새로운 벅-부스트 레이아웃 단일 핫 루프는 새로운 고전력 설계에 권할 만하다. 단일 핫 루프는 스위칭 노드와 핫 루프 영역의 노출을 최소화하므로 열 단점 없이 전도 및 복사 방사를 모두 감소시키는 상당한 이점이 있다. 특히 단일 핫 루프는 감쇠하기 가장 어려운 주파수 영역인 30MHz 이상에서 전도 방사를 감소시킨다. 

 

ADI의 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러(LT8390/ LT8390A, LT8391/LT8391A, LT8392, LT8393, LT8253 등)는 고유의 피크 벅/피크 부스트 전류 모드 제어 기능 덕분에 핫 루프를 경쟁사 부품보다 훨씬 작게 만들 수 있다. 제어 기능은 효율을 높이고 EMI를 줄임으로써 ADI의 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러가 자동차 애플리케이션 또는 EMI에 민감한 모든 애플리케이션에 최고의 선택이 될 수 있게 해준다. 

 

저자 소개

 

조용환(Yonghwan Cho)은 캘리포니아 산타클라라 소재 ADI의 선임 애플리케이션 엔지니어다. 자동차 애플리케이션을 위한 4-스위치 벅-부스트 전압 레귤레이터와 LED 드라이버를 포함한 DC-DC 스위칭 레귤레이터를 담당하고 있다. 2017년 노스캐롤라이나 랄리에 있는 노스캐롤라이나 주립대학에서 전기공학 박사 학위를 받았다. 

 

키스 솔루샤(Keith Szolusha)는 캘리포니아주 산타클라라 소재 ADI의 애플리케이션 디렉터다. 2000년부터 BBI 전원 그룹에서 부스트, 벅-부스트, LED 드라이버 제품을 맡아 왔으며 전원 제품 EMI 챔버를 관리하는 업무도 맡고 있다. MIT에서 1997년에 BSEE, 1998년에 MSEE를 취득했다.