전원 공급 장치에서 임피던스 밸런싱을 통해 공통 모드 노이즈를 줄이는 방법

작은 PCB와 같이 좁은 공간에서 작동하는 간단한 스위칭 레귤레이터 회로는 일반적으로 출력 전력 수준에 상당한 잡음을 추가하지 않고도 소음이 많은 환경에서 배치될 수 있습니다. 보드를 적절하게 배치하기만 하면, 입력과 출력에서 EMI를 제거하기 위한 간단한 필터 회로만 필요할 것입니다. 레귤레이터가 물리적으로나 전기적으로 커질수록, 특히 PCB 레이아웃에서 방사된 EMI와 전도된 EMI 문제가 훨씬 더 두드러질 수 있습니다.

다중 접지가 있는 DC-DC 컨버터에서 흔히 발생하는 문제는 공통 모드 전도 전류로, 이는 용량성 결합으로 인해 발생합니다. 표준 방법은 출력에서 필터링을 사용하는 것이며, 공통 모드 쵸크와 같은 것으로 출력 노드에 도달하는 공통 노드 잡음을 처리합니다. 그러나, 이는 공통 모드 전류 루프에 존재하는 방사된 EMI를 억제하는 데 아무런 도움이 되지 않아, 마지막 옵션으로 차폐를 남깁니다. 방사된 EMI와 전도된 EMI 두 가지 유형의 잡음을 차폐에 덜 의존하면서 억제할 수 있다면 어떨까요?

이러한 유형의 스위칭 컨버터에서는 전원 공급 장치의 출력 노드에서 공통 모드 노이즈를 억제하기 위해 임피던스 밸런싱 접근 방식을 사용할 수 있습니다. 이는 간단한 아이디어를 따르는데, 시스템 그라운드가 전원 공급 장치의 출력 노드에서 임피던스를 정의하는 전역 참조로 사용됩니다. 이것이 어떻게 작동하는지와 설계에서 시뮬레이션으로 조사해야 할 사항을 살펴보겠습니다.

임피던스 밸런싱이란 무엇인가?

임피던스 밸런싱은 3-도체 구성(2 신호, 1 GND)을 사용하여 증폭기로 차동 전압 측정을 수집하는 기술입니다. 이 기술은 XLR 오디오 케이블에서 케이블을 통해 전도될 수 있는 공통 모드 노이즈를 차동 수신기가 완전히 취소할 수 있도록 보장하는 수단으로 사용됩니다. Mark Harris가 최근 블로그 게시물에서 간략하게 논의했습니다, 비록 이것이 오디오나 전원 공급 장치가 아닌 센서의 맥락에서 이루어졌지만요.

중심 아이디어는 두 신호선의 임피던스를 동일하게 설정하는 것으로, 이는 케이블의 각 단일 종단 측면이 수신기에서 동일한 입력 임피던스를 보고 차동 수신기에서 공통 모드 노이즈 거부가 보장됨을 의미합니다.

생각해보면, 이 시스템에서 신호선과 접지의 배치는 PCB 상의 차동 쌍과 다르지 않습니다. 차동 쌍에서는 각 트레이스가 쌍의 참조면(이 경우, 접지면)에 대해 정의된 단일 종단 임피던스를 가집니다. 임피던스 균형과 차동 신호 사이의 유일한 차이점은, 임피던스 균형 인터커넥트에서는 V1과 V2에 대해 동일하고 반대의 신호를 가질 필요가 없다는 것입니다; 이론적으로 어떤 값이든 될 수 있습니다. 그런 다음 수신기는 참조면에 대해 각 쌍의 전압을 측정합니다.

스위칭 컨버터에서의 임피던스 균형

스위칭 컨버터에서의 공통 모드 노이즈는 가장 가까운 참조면, 일반적으로 샤시 GND이거나 시스템 GND의 일부이거나 인클로저 차폐인 다른 큰 도체로 인한 용량성 결합으로 인해 발생합니다. 이는 고전류를 공급하는 물리적으로 큰 전원 공급 장치 레이아웃에서 매우 문제가 될 수 있습니다; 기생 용량 Cp(아래 참조)는 매우 클 수 있어 스위칭 컨버터 회로에서 높은 dI/dt 스위칭 이벤트 동안 매우 낮은 임피던스를 제공합니다.

여기서 우리는 보라색 화살표가 큰 전류 루프를 그리는 것을 볼 수 있습니다. 공통 모드 초크로 부하에서 전도 전류를 제거하더라도 공통 모드 전류 루프에서 강한 방사성 방출이 발생할 것입니다. 이는 변압기를 사용하여 갈바닉 절연을 하는 스위칭 컨버터 토폴로지에서도 발생할 수 있습니다. 예를 들어 LLC 공진 컨버터와 같은 경우입니다.

다음 부스트 컨버터 회로에서의 한 가지 해결책은 인덕터 주변에 캐패시터를 배치하되 POS_OUT 및 NEG_OUT 단자 전에 섀시 접지로 되돌리는 것입니다. 여기서 음극 레일은 소스 V1에서 시스템 접지로 되돌려져 음극 레일과 시스템의 나머지 부분 사이에 공통 모드 노이즈의 경로를 용이하게 할 수 있습니다. 캐패시터 C1/C2와 인덕터 L2의 추가는 MOSFET으로 흐르는 공통 모드 노이즈의 경로를 따르는 브리지 회로를 만듭니다:

고의적으로 캐패시터를 사용하여 고전압 및 저전압 레일을 접지로 되돌리면 레이아웃에서 브리지 회로를 모방하는 두 개의 반대 방향 전류를 설정하게 됩니다. 다음 임피던스 조건이 유지될 때 발생하는 공통 모드 노이즈는 제거됩니다:

이에 대한 자세한 내용은 다음 참조에서 논의됩니다:

• 장슈아이타오 등. "DC-DC 부스트 컨버터에서 공통 모드 노이즈 감쇠를 위한 임피던스 밸런싱 기법의 모델링 및 최적화." 전자 9, 3호 (2020): 480.

마지막으로, 전원 공급 잡음이 존재하는 상황에서 차동 ADC 입력과 모터 드라이버를 위한 유사한 전략이 논의되었습니다:

• 배범희 등. "칩-PCB 계층 구조를 가진 ADC에서 전원 공급 잡음 효과를 줄이기 위한 온칩 설계 기법." 2012 IEEE 국제 전자기 호환성 심포지엄에서, pp. 549-553. IEEE, 2012.
• 천루이루이 등. "DC 공급 모터 드라이브에서 임피던스 밸런싱을 통한 공통 모드 노이즈 감소." 2018 IEEE 적용 전력 전자 컨퍼런스 및 전시회 (APEC)에서, pp. 2515-2520. IEEE, 2018.

PCB 레이아웃을 생성하면, MOSFET의 고전압 측과 저전압 측에서 대칭 라우팅을 구현해야 합니다. 이는 반대 방향으로 전파되는 전류 루프를 설정하여 반평행 자기장을 생성하기 때문에 중요합니다. 공통 모드 노이즈 취소의 일부가 아닌 라우팅 부분은 차동 모드 복사 방출을 가지게 되며, 이는 공통 모드 전류에서 발생하는 방출보다 훨씬 약합니다.

기생 소자를 이용한 임피던스 밸런싱 시뮬레이션

위 회로에서 모든 구성 요소가 일정한 기생 소자와 자기 공진을 가지고 있어, 위의 임피던스 관계는 특정 주파수까지만 유지된다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 자기 공진 주파수가 높은 구성 요소를 사용하면, 훨씬 높은 주파수까지 공통 모드 노이즈를 제거할 수 있습니다. 이 필터 회로의 전달 함수를 시뮬레이션하여 이 시스템에서의 노이즈 억제 한계를 확인하세요.

Altium Designer®에서 최고의 PCB 설계 도구를 사용하면, 회로를 쉽게 설계하고 공통 모드 노이즈를 제거하기 위한 임피던스 밸런싱 방안을 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한, 단일 애플리케이션에서 완전한 설계 도구 세트와 함께 빈 PCB 레이아웃에 스키매틱을 즉시 캡처할 수도 있습니다.

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