선형 조정기 등 기존의 전력 변환 접근 방식에서는 소음은 낮을 수 있지만 열 소멸 및 효율 요구 사항에 따라 고급 기술이 필요할 수 있습니다. 이 ADI 문서에서는 LT8614 Silent Switcher™가 까다로운 응용 분야에서 EFI 억제 및 고효율을 보장하는 방법을 알아봅니다.
EMI 최소화가 설계 우선순위일 때는 선형 조정기가 저소음 솔루션이 될 수 있지만, 열 소멸 및 효율 요구 사항에 따라 이 옵션을 이용할 수 없고 전환 조정기를 선택해야 할 수 있습니다. EMI에 민감한 응용 분야에서도 전환 조정기는 일반적으로 입력 전력 버스 라인에서 첫 번째 능동 구성품이며, 다운스트림 변환기와 관계없이 전반적인 변환기 EMI 성능에 영향을 미칩니다. 지금까지는 전력 IC 선택을 통해 EMI를 억제하고 효율 요구 사항을 달성할 수 있는 확실한 방법이 없었습니다. 이제 LT8614 Silent Switcher™ 조정기가 이를 실현합니다.
LT8614는 현재 첨단 전환 조정기와 비교해 EMI를 20dB 이상 줄입니다. 비교해 보면 LT8614는 똑같은 보드 영역을 기준으로 30MHz 이상 주파수 범위에서 최소 온타임 및 오프타임 또는 효율을 저하시키지 않으면서 EMI를 10배 낮춥니다. 이때 추가 구성품 또는 차폐가 필요하지 않기 대문에 전환 조정기 설계에서 커다란 혁신이라고 할 수 있습니다.
EMI 문제에 대한 새로운 솔루션
EMI 문제에 대해 입증된 솔루션은 회로 전체에 차폐 상자를 사용하는 것입니다. 물론 이렇게 하면 필요 보드 공간, 구성품 및 어셈블리 측면에서 비용이 대폭 늘어나는 동시에 열 관리 및 테스트가 복잡해집니다. 다른 방법은 전환 에지의 속도를 낮추는 것입니다. 이 경우 효율이 떨어지고 최소 온 타임 및 오프타임과 관련 데드 타임이 늘어난다는 부작용이 있으며, 잠재적인 전류 제어 루프 속도가 저하됩니다.
LT8614 Silent Switcher 조정기는 차폐 상자를 사용하지 않고도 사용한 것과 같은 효과를 냅니다(그림 1 참조). LT8614는 부하가 없는 조정 시 기기에서 소모하는 총 공급 전류가 2.5µA로 IQ가 낮으며, 이 부분은 상시 작동 시스템에 중요합니다.
그림 1. LT8614 Silent Switcher는 최대 3MHz의 주파수에서 매우 높은 효율로 EMI/EMC 방출을 최소화합니다.
초저 드롭아웃은 내부 탑 스위치의 제약만 받습니다. 대체 솔루션과 달리 LT8614의 VIN-VOUT 제한은 최대 부하 주기 및 최소 오프타임의 제약을 받지 않습니다. 그림 6과 같이 이 기기는 드롭아웃 시 스위치 꺼짐 주기를 건너뛰며, 최소한도로 필요한 꺼짐 주기를 수행해 내부 탑 스위치 부스트 단계 전압을 일관되게 유지합니다.
동시에 최소 작동 입력 전압이 일반적으로 2.9V(최대 3.4V)에 불과해, 해당 부품이 드롭아웃 상태일 때 3.3V 레일을 공급할 수 있습니다. 고전류에서 LT8614는 총 전환 저항이 낮기 때문에 타사 부품보다 효율이 더 높습니다.
LT8614는 200kHz~3MHz 작동 외부 주파수와 동기화할 수 있습니다. AC 전환 손실이 낮으므로 최소의 효율 손실로 높은 전환 주파수에서 작동 가능합니다. 여러 자동차 환경에서 흔히 찾아볼 수 있듯이 EMI에 민감한 응용 분야에서 균형을 이상적으로 맞출 수 있으며, LT8614는 한층 더 낮은 EMI에 대해 AM 대역 미만에서 작동할 수도, AM 대역 이상에서 작동할 수도 있습니다. 작동 전환 주파수 700kHz 설정에서 표준 LT8614 데모 보드는 CISPR25, 5등급 측정의 소음 플로어를 초과하지 않습니다.
그림 2는 무반향실에서 2A에서 12V 입력, 3.3V 출력, 고정 전환 주파수 700kHz로 실시한 측정 내용을 보여 줍니다. LT8614 Silent Switcher 기술을 다른 현재 첨단 전환 조정기와 비교하고자, 해당 부품을 LT8610과 비교하여 측정했습니다(그림 3 참조). 테스트는 GTEM 셀에서 표준 데모 보드의 두 부품에 대해 동일한 부하, 입력 전압 및 인덕터로 수행되었습니다.
그림 2. LT8614 보드는 무반향실에서 CISPR25 방사 표준을 충족합니다. 소음 플로어는 LT8614 방사 방출과 동일합니다.
그림 3. LT8614 및 LT8610의 방사 방출 비교.
이미 매우 우수한 LT8610의 EMI 성능과 비교하더라도 LT8614 Silent Switcher 기술을 사용할 때 최대 20dB 개선이 가능하며, 더 관리하기 어려운 고주파수 영역에서 특히 그러하다는 것을 알 수 있습니다.
그림 4 및 5와 같이 시간 도메인에서 LT8614는 스위치 노드 에지에서 이상적인 동작을 보입니다. 4ns/div에서도 LT8614 Silent Switcher 조정기는 최소 링잉을 보입니다. 반면 LT8610은 그림 4와 같이 링잉을 성공적으로 감쇠하지만 LT8614와 비교해 핫 루프에 저장되는 에너지가 더 높음을 알 수 있습니다(그림 4).
그림 4. LT8614 Silent Switcher 및 LT8610의 스위치 노드 상승 에지 비교.
그림 5는 13.2V 입력에서의 스위치 노드, 그리고 LT8614가 스위치 노드에서 이상적인 방형파에 가까운 파형을 달성한다는 점을 보여 줍니다. 그림 4, 5 및 6의 모든 시간 도메인 측정 내용은 500MHz Tektronix P6139A 프로프로 수행되었으며 PCB GND 평면에 닫힌 프로브 팁 차폐 연결 상태 기준입니다. 양쪽 부품 모두 기성품 데모 보드를 사용했습니다.
그림 5. LT8614의 전환 파형은 이상적인 방형파에 가까워 저소음 작동이 가능합니다.
LT861x 제품군의 42V 절대 최대 입력 전압 정격은 자동차 및 산업 환경에서 중요합니다. 특히 자동차 관련 상황에서 이에 못지않게 중요한 것은 드롭아웃 동작입니다. 중요한 3.3V 논리 공급 장치는 흔히 콜드 크랭크 상황에서도 지원되어야 합니다. 이 경우 LT8614 Silent Switcher 조정기는 LT861x 제품군의 이상적인 동작에 가까운 동작을 유지합니다. 그림 6과 같이 대체 부품의 높은 부족전압 록아웃 전압 및 최대 부하 주기 클램프와 달리 LT8610/11/14 기기는 3.4V까지 작동하며 필요에 따라 즉시 주기 건너뛰기를 시작합니다. 덕분에 그림 7과 같이 이상적인 드롭아웃 동작이 도출됩니다.
그림 6. LT8614 및 LT8610에 대한 스위치 노드의 드롭아웃 동작.
그림 7. LT8614 드롭아웃 성능. 다른 LT861x 기기와 마찬가지로 3.4V까지 작동하며 필요에 따라 즉시 주기 건너뛰기를 시작합니다.
LT8614는 최소 온타임이 30ns로 낮아 전환 주파수가 높을 때도 큰 강압 비율을 실현합니다. 그 결과 최대 42V의 입력에서 단일 강압으로 논리 코어 전압을 공급할 수 있습니다.
결론
시스템 완성 시 EMI 테스트를 통과하기 위해서는 초기 변환기 설계에서 EMI 고려 사항에 주의를 기울여야 한다는 것이 자명합니다. LT8614 Silent Switcher 조정기를 사용하면 간단한 전력 IC 선택으로 성공을 보장할 수 있습니다. LT8614는 현재 첨단 전환 조정기에서 20dB 이상 EMI를 줄이는 동시에 전환 효율을 높이며 추가 구성품 또는 별도의 차폐가 필요하지 않습니다.
전환 조정기와 EMI
모든 전력 공급 장치에서는 인쇄 회로 보드 레이아웃이 성공 또는 실패를 결정합니다. 이에 따라 기능, 전자기 간섭(EMI) 및 열 동작이 조성됩니다. 전환 전력 공급 장치 레이아웃은 연금술이 아니며, 흔히 초기 설계 프로세스에서 간과되곤 합니다. 기능 및 EMI 요구 사항을 충족해야 하는 만큼, 전력 공급 장치의 기능 안정성에 유리한 내용은 일반적으로 EMI 방출 면에서도 유리합니다. 처음부터 효과적인 레이아웃을 만들면 비용은 추가되지 않으면서 EMI 필터, 기계적 차폐, EMI 테스트 시간 및 PC 보드 수정 필요를 없애 실질적인 비용 절약을 실현할 수 있다는 점을 기억해야 합니다.
EMI 방출의 유형은 전도, 방사와 같이 2가지입니다. 전도 방출은 제품에 연결되는 와이어 및 트레이스를 타고 이동합니다. 설계에서 소음이 특정 단자 또는 커넥터에 국한되므로 이상적인 레이아웃 및 필터 설계를 통해 개발 프로세스의 비교적 초기에 전도 방출 요구 사항 준수를 보장할 수 있습니다.
하지만 방사 방출은 이와 다릅니다. 보드에서 전류를 이동시키는 모든 것은 전자기장을 방사합니다. 보드의 모든 트레이스는 안테나이며, 모든 구리 평면은 거울입니다. 순수한 사인파 또는 DC 전압 외의 모든 것이 광범위한 신호 스펙트럼을 생성합니다. 주의 깊게 설계하더라도 시스템을 테스트할 때까지는 방사 방출이 얼마나 심각할지 설계자가 확실히 알 수 없습니다. 또한 방사 방출 테스트는 설계가 사실상 완료될 때까지 정식으로 수행할 수 없습니다.
흔히 필터를 사용해 특정 주파수 또는 주파수 범위에서 강도를 감쇠하여 EMI를 줄입니다. 이 에너지 중 공간을 따라 이동하는 부분(방사)은 판금을 자기장으로 추가하여 감쇠합니다. PCB 트레이스를 따라 이동하는 하부 주파수 부분(전도)은 페라이트 비즈 및 기타 필터를 추가하여 줄입니다. EMI는 없앨 수 없지만 다른 통신 및 디지털 구성품에서 허용 가능한 수준으로 감쇠할 수는 있습니다. 나아가 여러 규제 기관에서 규제 준수를 위해 표준을 강제합니다.
표면 장착 기술에서 현대의 입력 필터 구성품은 천공형 부품보다 성능이 더 우수합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 개선보다 전환 조정기의 작동 전환 주파수 증가 속도가 더 빠른 상황입니다. 더 높은 효율과 낮은 최소 온타임 및 오프 타임으로 인해 더 빠른 스위치 전환이 일어나면서 인한 더 높은 고조파 성분이 발생합니다.
전환 주파수가 2배로 증가할 때마다 EMI는 6dB 높아지지만 스위치 용량, 전환 시간 등의 다른 모든 파라미터는 일정하게 유지됩니다. 전환 주파수가 10배 증가하면 광대역 EMI는 1차 고역 통과처럼 행동하여 방출이 20dB 더 높아집니다.
능숙한 PCB 설계자는 핫 루프의 크기를 줄이고 차폐 접지 계층을 실제 계층과 최대한 가깝게 사용할 것입니다. 다만 디커플링 구성품의 적절한 에너지 저장에 필요한 기기 핀 출력, 패키지 구조, 열 설계 요구 사항, 패키지 크기 때문에 핫 루프 크기를 최소로 줄여야 합니다. 문제를 더 복잡하게 만드는 것은, 일반적인 평면 인쇄 회로 보드에서 30MHz 이상 트레이스 간 마그네틱 또는 변압기 스타일 커플링은 모든 필터 효과를 저하시킨다는 점입니다. 주파수가 높아질수록 원치 않는 마그네틱 또는 안테나 커플링의 효과도 높아지기 때문입니다.
전류 공유 및 더 높은 출력 전력을 위해 여러 DC/DC 스위치 모드 조정기를 병렬로 배치하면 간섭 및 소음의 잠재적인 문제가 악화될 수 있습니다. 모두가 비슷한 주파수로 작동(전환) 중인 경우, 회로의 여러 조정기에서 발생하는 전체 에너지가 해당 주파수 및 고조파에 집중됩니다. 이 에너지의 존재는 특히 서로 가까우며 이 방사 에너지의 영향을 받기 쉬운 PC 보드의 나머지 IC와 다른 시스템 보드에 우려 사항이 될 수 있습니다. 밀도가 높으며 흔히 오디오, RF, CAN 버스 및 다양한 수신 시스템과 가까운 경우가 많은 자동차 산업에서 특히 문제가 될 수 있는 부분입니다.