고전압 SMPS PCB 레이아웃으로 열과 소음 최소화하기

AC-DC 변환 또는 DC-DC 변환을 수행하든, 스위칭 전원 공급 장치 레이아웃은 고전압 설계에서 흔하며 신중하게 구성해야 합니다. 이 시스템은 꽤 일반적이지만, 스위칭 중 전압과 전류의 빠른 변화로 인해 쉽게 EMI를 방출할 수 있습니다. 설계자들은 한 영역에서의 작은 변경이 진단하기 어려운 EMI 문제를 일으킬 수 있기 때문에 기존 설계를 새 시스템에 적응시키기가 드뭅니다.

올바른 레이아웃 선택과 라우팅을 통해, SMPS의 출력에서 소음이 중요한 문제가 되는 것을 방지할 수 있습니다. 저전압 변환기는 다양한 형태의 IC로 구입할 수 있지만, 고전압 변환기는 전용 보드에 개별 부품으로 제작해야 합니다. 여기에는 시스템에서 구성 요소를 시원하게 유지하고 소음 문제를 방지하는 데 도움이 되는 중요한 SMPS PCB 레이아웃 팁이 있습니다.

SMPS PCB 레이아웃에서의 소음 및 열 문제

어쩔 수 없는 사실입니다: 모든 SMPS는 트랜지스터 드라이버의 스위칭 동작으로 인해 중간 정도의 고주파 소음을 발생시킵니다. 실제로, AC-DC 변환 중 전파 정류기에서 발생하는 저주파 리플을 고주파 스위칭 소음으로 교환하는 것입니다. 이 변환은 더 안정적인 DC 출력을 생성하지만, 여전히 두 가지 중요한 소음 원이 문제가 됩니다:

• 스위칭 요소에서 직접적으로 발생하는 스위칭 노이즈.
• 시스템 내 다른 곳에서 발생하는 순간적 노이즈.

SMPS 유닛의 출력에서 전도 노이즈와 방사 노이즈로 노이즈가 나타날 수 있습니다. 각 문제의 원인을 진단하는 것은 복잡할 수 있지만, 두 종류의 노이즈를 구별하는 것은 쉬울 수 있습니다. SMPS PCB 레이아웃에서 다른 설계 도전 과제는 보드에서 발생하는 열입니다. 이는 올바른 PWM 주파수, 듀티 사이클, 상승 시간을 선택함으로써 영향을 받을 수 있지만, 보드에서 올바른 열 관리 전략을 사용해야 합니다. 이 두 가지 도전을 염두에 두고, SMPS PCB 레이아웃에서 주의해야 할 몇 가지 미세한 점들을 살펴보겠습니다.

열 관리

이상적인 SMPS는 전력을 전혀 소비하지 않지만, 현실에서는 이런 일이 발생하지 않습니다. 스위칭 트랜지스터(그리고 AC-DC 변환을 위한 입력 트랜스포머)가 열로 대부분의 전력을 소비할 것입니다. 스위칭 공급 토폴로지에서 효율이 90%를 넘을 수 있음에도 불구하고, 전력 MOSFET은 스위칭 중에 상당한 열을 발산할 수 있습니다. 여기서 일반적인 관행은 중요한 스위칭 구성 요소에 히트싱크를 배치하는 것입니다. 이를 귀하의 접지면에 연결하여새로운 EMI의 원천을 방지하십시오.

고전압/고전류 전원 공급 장치에서는 이러한 방열판이 상당히 클 수 있습니다. 케이스에 팬을 장착하여 시스템의 냉각 성능을 추가로 향상시킬 수 있습니다. 다시 한번, 새로운 EMI 문제를 방지하기 위해 이 팬을 구동하는 방법에 대해 최선의 방법을 따르십시오.

일부 SMPS PCB 레이아웃 팁

PCB 스택업

레이아웃은 열 관리에 다소 도움이 되지만, EMI 민감성의 더 큰 결정 요인입니다. 전도성 잡음은 일반적으로 입력 및 출력 회로에서 EMI 필터 회로를 사용하여 처리됩니다. 고속/고주파 시스템의 많은 EMI 문제와 마찬가지로, 스택업은 방사된 EMI에 대한 면역성의 주요 결정 요인이 될 것입니다.

SMPS가 작동할 관련 주파수는 대략 ~10 kHz에서 ~1 MHz까지이므로, 방사된 EMI는 유도적으로 잡음을 유발할 것입니다. 따라서, 모든 전력 구성 요소가 있는 표면층 바로 아래에 접지면을 스택업에 배치하고자 합니다. 이는 표면층의 회로에 대해 낮은 루프 인덕턴스를 보장합니다. 출력으로 전파되는 유도된 잡음 신호는 일반적으로 출력에서의 여과를 통해 제거됩니다.

PCB 레이아웃에서 코일(인덕터, 변압기 또는 공통 모드 초크) 아래나 근처에 접지를 배치하는 것에 대해 일부 이의가 있습니다. 이유는 코일의 권선 용량이 접지면에서 코일로 다시 전류를 결합시킬 수 있어, EMI의 원인이 되는 공통 모드 노이즈를 생성하기 때문입니다. 공통 모드 노이즈 결합을 방지하기 위해 레이아웃에서 반환 경로를 추적하는 것이 매우 중요하며, 이 작업은 적절한 필드 솔버 유틸리티로 지원됩니다.

과도한 링잉

과도 현상은 스택업, 라우팅, 비아의 존재 및 불충분한 디커플링/과도한 임피던스와 관련되어 있어 해결하기 더 어려운 문제입니다. 고속 설계에서와 마찬가지로, 스위칭 신호를 운반하는 구리를 접지면의 간격 위로 라우팅하지 마십시오. 이는 과도 현상에서 강하게 방사할 수 있는 일종의 안테나 구조를 생성합니다. 이러한 과도 현상은 주로 고주파수(수십 MHz에서 수백 MHz에 이르기까지)입니다.

과도한 링잉의 문제는 임피던스 관리 문제입니다. 높은 임피던스는 강한 전압 리플을 초래합니다. 구성 요소는 보드 PDN에서 임피던스를 최소화하기 위해 올바른 랜드 패턴으로 배치되어야 합니다. 구성 요소에 대한 좋은 및 나쁜 랜드의 예는 아래에 나와 있습니다.

마지막으로, 레이아웃에서 고립된 섬을 남겨두지 않는 것이 최선입니다. 제어 회로나 수동 부품을 포함할 수 있는 전력 섬을 분리 커패시터를 사용하여 접지 푸어/접지 평면에 다시 연결하세요. 이러한 상황에서 비아 배치에 주의하세요. 의도하지 않은 노치나 슬롯을 접지 평면에 만들고 싶지 않을 것입니다.

고전압 SMPS 디자인에 대한 더 많은 정보

고강도 LED를 구동하기 위한 중간 전압 드라이버 회로에 관심이 있다면, Mark Harri의 이 기사를 확인해 보세요. 또한, SMPS에서 사용할 최적의 스위칭 주파수를 결정하는 문제도 있습니다. 이는 해결하기 어려운 최적화 문제일 수 있지만, PWM 신호로 구동될 때 MOSFET의 스위칭 동작을 이해하면 훨씬 더 가까워질 수 있습니다. 이 점에 대해 최근 기사에서 논의했습니다. 마지막으로, IPC 표준에 따른 고전압 보드(고전압 SMPS 포함) 디자인에 대한 우리의 조언

을 확인해 보세요.Altium Designer®의 스키매틱 디자인 및 레이아웃 기능은 SMPS PCB 레이아웃을 생성하고 그 동작을 시뮬레이션하는 데 이상적입니다. 회로 설계를 위한 사전 레이아웃 시뮬레이션 도구 전체 세트에 액세스할 수 있으며, 보드에서 안정적인 전력 분배를 보장하기 위한 강력한 PDN 분석기를 사용할 수 있습니다. 이 모든 기능은 단일 디자인 환경에서 접근 가능하여 생산성을 유지하고 다음 제품을 빠르게 구축할 수 있도록 도와줍니다.

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