스위칭 전원 공급 장치 및 레귤레이터를 위한 PCB 레이아웃 지침

전원 공급 장치와 조정기는 모든 형태와 크기로 제공될 수 있습니다. 일반적으로 별개의 제품으로 논의되지만, 특히 스위칭 조정기의 경우 전기적으로 동일합니다. 시스템의 상위 레벨 관점에서 전원 공급 장치의 스위칭 조정기 섹션과 실제 조정기 회로는 동일한 블록 다이어그램 내에서 동일한 기능을 수행합니다.

전원 공급 장치의 경우, 시스템에서 조정기가 다른 전력 변환 블록과 통합되는 방식과 규모의 문제일 뿐입니다. 전원 공급 장치의 스위칭 조정기 섹션과 PCB에 있는 스위칭 조정기 회로는 저소음 작동을 보장하기 위해 동일한 일반적인 지침에 따라 설계되어야 합니다.

다음 섹션에서는 전원 공급 장치와 조정기가 어떻게 다른지 간략히 살펴보겠습니다. 대부분의 설계자에게는 이미 명확할 것입니다. 전원 공급 장치는 전원 조정기를 포함하지만, 조정기는 전원 공급 장치라고 부를 수 없는 독립 회로일 수 있습니다. 전원 공급 장치와 온보드 조정기가 있는 PCB의 경우 스위칭 조정기 설계는 전체 시스템 성능의 주요 결정 요인이 됩니다. 따라서 주로 조정기 설계를 기준으로 스위칭 전원 공급 장치의 설계 지침을 살펴보겠습니다.

스위칭 전원 공급 장치를 위한 시스템 설계 지침

스위칭 전원 공급 장치의 조정기 섹션을 살펴보기 전에 전체 시스템의 상위 수준 블록 다이어그램을 먼저 살펴봐야 합니다. 전원 공급 장치를 설계하고 있다면, 전체 장치는 아래에 표시된 토폴로지를 가질 것입니다. 이는 벽면 콘센트에서 AC 전원을 가져오는 전원 공급 장치에 특히 중요합니다.

위의 블록 다이어그램은 여러 보드에 구현될 수 있지만, 특히 고전압/고전류 전원 공급 장치의 경우, 대형 변압기, 히트 싱크, 팬, 기계식 장착 공간을 확보하기 위해 모든 것을 하나의 보드에 배치하는 것이 일반적입니다. 전원 공급 장치에 연결될 보드용 소형 조정기를 설계하는 경우에도 위의 토폴로지 내에서 작업하게 되며, 출력 조정기와 새 조정기 간에 접지 연결이 필요합니다. 이는 고전류 전원 공급 장치의 경우 일반적입니다.

위의 다이어그램에서 논의할 몇 가지 다른 사항이 있습니다:

갈바닉 절연

위의 블록 다이어그램에서는 캡으로 다시 연결된 세 개의 별도 접지 영역이 있습니다. 캡을 사용하여 이 지침을 맹목적으로 따르지 마세요: 모든 노이즈 소스를 해결할 수 있는 단일 PCB 접지 기술 은 없으며 위에서 캡 사용에 주의해야 합니다. 이는 모든 접지 영역에서 일관된 접지 전위를 보장하기 위한 한 가지 방법을 설명하기 위해 표시된 것입니다. 이는 산업용 이더넷 시스템에서 접지를 추천하는 방법 중 하나입니다. 여기서의 아이디어는 두 접지 섹션 사이에서 발생할 수 있는 DC 전위를 차단하는 것입니다.

여기서의 위험은 접지 루프와 공통 모드 노이즈를 생성하며, 이를 필터링해야 한다는 것입니다. 이 방식으로 접지를 연결하는 것은 기본적으로 금속 섀시를 사용할 때 이루어지며, 플라스틱 케이스는 접지를 분리된 상태로 유지합니다. 이는 까다롭고 모든 EMC 테스트를 통과하기 위해 여전히 신중한 회로 설계와 PCB 설계가 필요합니다.

출력 단계

출력 단계에서 갈바닉 절연은 필수가 아닙니다. DC 조정기의 토폴로지에 따라 다릅니다 (플라이백 컨버터의 좋은 예를 참고하세요). 출력에 공통 모드 전류가 부하 회로에 도달하는 것을 억제하기 위해 EMI 필터 회로 또는 공통 모드 초크를 설치하는 것도 일반적입니다. 이러한 점을 제외하면 출력 조정기 단계는 특정 조정기 토폴로지에 대한 모범 사례를 사용하여 설계됩니다. 이러한 조정기 설계의 일반적인 아이디어를 아래에서 다루겠습니다.

전원 공급 장치의 출력 단계는 시스템에서 최종 조정기가 아닐 수 있습니다. 대신 다른 조정기 또는 일련의 조정기에 공급할 수 있으며, 각각은 일부 최대 전류에서 특정 전압을 구성 요소 그룹에 제공합니다. 다시 말해, 이는 하나의 보드에서 또는 여러 보드(전원 공급 장치용 보드 하나, 조정기 단계용 보드 하나)에서 수행할 수 있습니다:

위의 전력 트리는 병렬(데이지 체인)로 구성된 조정기를 보여주지만, 이들은 트리 토폴로지로 계단식으로 구성될 수도 있습니다. PDN에서 전류를 매핑하는 것은 매우 유용합니다. 이는 각 하위 조정기 단계가 PDN의 총 전류에 기여하는 양을 빠르게 확인하는 데 도움이 됩니다. 총 전류와 개별 전류는 시스템의 각 섹션에 충분한 전류를 전달하기 위해 필요한 전력 레일 또는 전력 플레인의 크기를 결정합니다.

각 회로 블록 설계하기

전체 시스템 아키텍처를 보면, 스위칭 전원 공급 장치 및 전체 시스템에서 각 회로 블록을 설계하여 낮은 EMI와 안전성을 보장하는 방법을 알 수 있습니다. PCB 레이아웃을 생성할 때 전체 블록 다이어그램을 염두에 두세요:

• 섹션별로 설계하기: 여러 기능 블록이 있는 다른 보드와 마찬가지로 전원 공급 보드를 섹션별로 설계하십시오. 블록 다이어그램에서 입력에서 출력으로 진행하는 방식으로 선형적으로 설계하는 것도 괜찮습니다.
• 피드백과 함께 설계 계획: 정밀 고전류 조정기와 같은 경우 섹션 간에 피드백이 있을 수 있습니다. 옵토커플러를 사용하여 각 섹션 간의 접지 간격을 연결하세요.
• 접지 복귀 경로 따라가기: PCB 설계에서 보편적인 지침이 있다면, 아마도 "접지 복귀 경로를 따라가기"일 것입니다. 전원 공급 장치의 경우 공통 모드 전류가 발생할 수 있는 위치를 식별하고 각 공급 섹션에서 낮은 루프 인덕턴스를 보장하는 것이 중요합니다.
• 고전류 및 고전압 레일에 주의하기: 고전압 및 고전류 설계는 때때로 혼합됩니다. 두 도체 간 최대 전위 차이는 최소 간격을 결정하며(IPC-2221 참조), 도체가 운반하는 전류는 온도를 낮게 유지하기 위해 필요한 폭을 결정합니다(IPC-2152는 내부 레이어 또는 외부 레이어에 대해 참조).

PDN 설계 부분을 진행하는 동안 각 섹션이 접지되는 방식과 접지가 일관된 기준 전위를 제공하기 위해 어떻게 연결될지를 생각해야 합니다. 이는 위에서 언급한 바와 같이 EMI를 방지하는 데 매우 중요합니다. 이는 PCB 레이아웃 작업을 시작하기 전에 완료되어야 합니다.

전원 공급 스위칭 조정기 레이아웃 팁

조정기에 사용할 부품을 선택하고 회로도를 작성하며 접지/전력 분배 전략을 설계한 후에는 PCB 레이아웃을 생각하기 시작할 수 있습니다. 스위칭 전력 조정기의 PCB 레이아웃은 모든 것이 트레이드오프입니다: 도체 크기와 간격 요구 사항의 균형을 맞추어야 하지만, 동시에 설계가 컴팩트해야 합니다.

이 블로그에서는 특정 조정기 토폴로지에 대한 레이아웃을 다룬 여러 가이드를 게시했습니다. 모든 가능성을 나열하는 대신, 아래는 시스템에 적용할 수 있는 몇 가지 일반적인 지침을 보여줍니다.

1. 시스템에 최소 간격 및 트레이스 폭 규칙을 항상 적용하세요.
2. 전압/전류 감지를 위한 피드백 라인을 가능한 한 짧고 직접적으로 배선하세요.
3. 드라이버 및 컨트롤러 IC 주변에 일부 제어 및 감지 구성 요소를 클러스터링해야 할 가능성이 높습니다. 이들 간의 연결을 짧게 유지하고 이 구성 요소들을 좁은 영역에 배치하는 것도 괜찮습니다 (아래 참조).
4. 고전류 설계를 할 경우 두꺼운 구리 레이어나 금속 코어 PCB를 고려하세요.
5. 구성 요소나 커넥터의 장착 패드로 다각형을 사용하는 것을 두려워하지 마세요. 그러나 플레인에 직접 연결하는 경우 열 방출 패드가 필요할 수 있으므로 주의하세요.
6. 조정기가 매우 높은 효율을 가질 수 있지만 여전히 뜨거워질 수 있습니다. IC에 히트싱크가 필요한 경우 레이아웃에서 공간을 확보하세요. 또 다른 옵션은 열 인터페이스 소재를 사용하는 것입니다.

스위칭 조정기에 대한 특정 레이아웃 지침은 토폴로지, 구성 요소 수, 피드백의 존재 여부 및 접지 전략에 따라 달라집니다. PCB 레이아웃을 시작하기 전에 EMI를 방지하고 필요한 절연을 제공하기 위해 접지를 고려했기를 바랍니다. 특정 조정기에 대한 보다 구체적인 지침은 아래의 리소스를 참고하세요:

• Boost 전압 조정기 설계 방법
• 절연형 대 비절연형 전원 공급 장치: 올바른 선택
• LLC 공진 컨버터 설계 및 PCB 레이아웃
• 저잡음, 저 EMI 전압 조정기

우리가 다루지 않은 것은 무엇입니까?

위의 스위칭 전원 공급 장치 및 조정기 회로의 레이아웃 지침 목록에는 고려할 사항이 많습니다. 그렇다면 누락된 것은 무엇일까요? 위의 논의에 포함되지 않은 전력 조정 및 전달의 몇 가지 중요한 측면이 있습니다:

• PDN 임피던스: 고속/고주파 부품을 사용하지 않는 경우 PDN 임피던스에 대해 걱정할 필요는 없을 것입니다. 단지 두꺼운 전원 레일을 사용하고 충분한 구리 분포를 사용하는지 확인하세요. 고속/고주파 설계를 하는 경우 낮은 PDN 임피던스는 리플 억제를 위해 매우 중요합니다. 이는 일반적으로 충분한 디커플링 커패시터와 높은 평면 간 커패시턴스를 사용하여 달성됩니다.
• 전원 공급 EMI: 위에서 이에 대해 언급한 바 있습니다. PCB 레이아웃을 작성할 때 EMI를 줄이는 것을 항상 염두에 두어야 하지만, EMI 억제 및 EMC 테스트 통과에는 낮은 루프 인덕턴스 라우팅 이상의 많은 요소가 필요합니다. 전원 공급 EMI에 대한 자세한 내용은 전용 기사에서 다루겠습니다.
• 아날로그 전원: 여기서는 일반적으로 디지털 IC 문맥에서 논의되는 스위칭 컨버터를 살펴보고 있습니다. 아날로그 구성 요소는 어떨까요? 이들의 전력 요구 사항은 매우 다를 수 있습니다. 아날로그/RF 신호를 소스하는 디지털 IC는 일반적으로 내부적으로 이를 수행합니다. 그러나 특수한 LDO(예: NCP161BMX280TBG)나 스위칭 조정기(예: LTC3388IMSE-1)도 있습니다.

또한 구성 요소 선택 문제도 있습니다. 예를 들어, 낮은 EMI 및 공통 모드 노이즈 결합을 보장하고 낮은 리플 전류를 보장하기 위해 인덕터를 선택하는 것 등이 포함됩니다. 위 목록의 마지막 요점도 매우 중요합니다. 순수 아날로그 회로는 디지털 시스템의 전원 조정기 또는 내장 전원 공급 장치와 동일한 레이아웃 스타일을 가지지 않기 때문입니다. 매우 높은 주파수에서 작업할 경우, RF 전원 공급 문제는 불안정한 증폭기 회로에서 볼 수 있는 것과 유사하게 기생 커패시턴스 때문에 더 관리하기 어려워집니다. 이는 제가 매우 흥미롭게 생각하는 주제이지만, 다른 블로그 게시물로 남겨두겠습니다.

Altium Designer®의 최고의 PCB 설계 도구를 사용하면 여기에서 설명한 스위칭 전원 공급 장치의 레이아웃 지침을 구현할 수 있습니다. 또한 더 큰 조정기 회로 및 시스템의 다른 구성 요소를 위한 조정기 IC 및 부품을 찾는 데 필요한 도구를 사용할 수 있습니다. EMI 방출 또는 방사와 관련된 고급 계산의 경우, Altium Designer 사용자는 EDB Exporter 확장을 사용하여 설계를 Ansys 필드 솔버로 가져올 수 있습니다. 이 필드 솔버 및 설계 애플리케이션 쌍은 프로토타입 제작 전에 레이아웃을 검증하는 데 도움이 됩니다.

설계를 마치고 제조업체에 파일을 전달하려는 경우, Altium 365™ 플랫폼을 통해 프로젝트를 쉽게 협업하고 공유할 수 있습니다. Altium Designer와 Altium 365를 사용하여 할 수 있는 작업의 일부만 다루었을 뿐입니다. 더 심층적인 기능 설명은 제품 페이지 또는 주문형 웨비나에서 확인할 수 있습니다.