스위칭 레귤레이터에서 인덕터 아래에 접지를 배치해야 할까요?

독자 및 YouTube 시청자들로부터 질문을 받는 것을 좋아하며, 최근 받은 질문 중 하나는 스위칭 레귤레이터의 스위칭 요소에서 발생하는 EMI와 관련이 있습니다:

• 스위칭 레귤레이터 회로에서 인덕터 아래에 컷아웃을 배치해야 할까요?

이것은 디자인에 사용되는 인덕터의 유형, 코일 방향, 그리고 인덕터에서 발생하는 자기 플럭스 누설이 충분히 크게 노이즈 문제를 일으킬 수 있는지 여부에 따라 달라지는 "그것은 달려있다"는 질문 중 하나입니다. 다양한 형태의 인덕터가 있으며, 이러한 인덕터는 스위칭 레귤레이터에서 스위칭 작동 중에 구성 요소 주변에 다른 자기장 프로필을 생성할 수 있습니다.

인덕터와 그들의 자기적 행동에서의 변화에도 불구하고, 스위칭 레귤레이터 회로에서 인덕터 근처에 접지를 배치하는 효과를 판단하기 위해 사용할 수 있는 일반적인 원칙들이 있습니다. 이 글에서는 이러한 원칙들 중 일부를 살펴볼 것입니다.

스위칭 레귤레이터에서 인덕터가 노이즈를 결합하는 방법

인덕터가 전압 레귤레이터 회로에서 스위칭 전류로 작동할 때, 스위칭 전류는 자기장을 생성합니다. 이것은 맥스웰 방정식에서 설명하는 전자기학의 기본 사실입니다. 시간에 따라 변하는 자기장은 근처 회로에 전기기전력을 유도할 수 있습니다.

잠시 위의 3D 뷰에서 보여진 와이어 와운드 인덕터를 생각해 봅시다. 스위칭 전류가 코일을 통해 흐를 때, 코일에서 시간에 따라 변하는 자기장이 발생합니다. 물리학 수업을 돌이켜보면, 스위칭 전류에 의해 생성된 변화하는 자기장이 주변 도체에서 와전류를 유도할 것임을 알 수 있습니다.

L2의 지면층에 거의 수직인 필드 라인이 있는 영역은 와전류를 유도할 것입니다.

다양한 종류의 인덕터는 인덕터 코어 주변에 다른 자기장 분포를 가질 것입니다. 인덕터 코어의 방향, 인덕터 제작에 사용된 재료, 그리고 인덕터의 종류(와이어 와운드, 필름 타입, 차폐형 등)도 중요할 것입니다. 위의 경우에는 수직으로 배치된 인덕터 코일을 가지고 있습니다. 하지만, 이 인덕터가 차폐되어 있다면, 스위칭 전류에 의해 생성된 자기장은 대부분 인덕터 패키지 내부에 포함될 것입니다. 토로이달 인덕터와 같은 다른 패키지는 플럭스를 감싼 코일 내부에 포함시키는 데 도움이 됩니다.

컷아웃도 여전히 유도 전자기력과 전류를 경험합니다

컷아웃을 배치하면, 인근 평면 레이어에서 여전히 EMF와 그로 인한 유도 전류가 발생합니다. 아래 예에서, 자기장이 컷아웃을 향해 있다고 가정하면, 결과적인 전류 루프는 아래와 같이 시계 방향이 될 것입니다.

이제 모든 레이어를 통해 접지를 절단하면, 모든 레이어에 이러한 전류를 유도하는 매우 나쁜 상황이 발생합니다. 또한 자기장이 PCB 주변으로 방출되게 하며, GND가 있는 경우에는 일반적으로 이를 차폐합니다. 이는 EMC 관점에서 매우 나쁩니다. 인덕터 아래에 접지를 배치하면 이 자기장이 보드를 통과하는 것을 차단하고 다른 구성 요소와 간섭할 가능성을 줄일 수 있으므로, 인덕터 아래에 사용하는 것이 적절한 근거가 된다고 생각합니다.

자기 유도 전류가 작동에 미치는 영향

위의 논리에 따르면, 인덕터 아래에 접지를 배치하면, 다음 층에서 와전류가 발생하는 자기장이 생성됩니다. 이 와전류는 인덕터의 자기장에 반대하는 자기장을 생성할 것입니다. 이러한 이유로 인덕터는 스위칭 전류에 의해 생성된 총 자기장이 낮기 때문에 "등가" 인덕턴스가 낮아질 것이라고 합니다. 원한다면, 이를 인덕터 코일과 평면 사이의 상호 인덕턴스 측면에서도 생각할 수 있습니다. 이는 시스템의 총 인덕턴스를 낮춥니다.

그 결과 다른 회로에서 유도되는 소음이 발생할 것이라고 가정합니다. 그러나 접지는 내부 층의 회로와 라우팅에 대해 일정한 차폐를 제공하여, 소음이 표면 층 근처에 제한되도록 합니다. 컷아웃을 배치하든 말든, 와전류와 소음은 어차피 존재하므로, 인덕터 근처의 회로에서 일부 소음을 감내해야 합니다. 다른 모든 층에서 이 소음을 차폐하는 것이 더 나은 옵션이기 때문에, 저는 인덕터 아래에 접지를 배치하는 것을 선호합니다. 전력 조절기의 요소에 접지를 더 가까이 가져오는 것도 일반적으로 기생 요소를 제어하는데 좋은 아이디어입니다.

요약

위의 논의에서 몇 가지 주요 결과를 도출했습니다:

1. 인덕터 아래에 접지를 배치하면 그 효과적 인덕턴스가 낮아집니다. 인덕터에 접지를 더 가까이 가져오면 인덕턴스가 더 크게 감소합니다
2. 인덕터 아래에 접지를 배치하면 인덕터 코어에서 직접 발생하는 노이즈로부터 내부/뒷면 층의 다른 회로를 보호하는 데 도움이 됩니다. 하지만 스위칭 루프가 스택업 전체에 걸쳐 퍼져있는 경우 주변 트레이스에 노이즈를 유발할 수 있으므로 주의해야 합니다

마무리하자면, 스위칭 레귤레이터 PCB 레이아웃에서 스위칭 노드와 인덕터 아래에 접지를 배치하는 것은 인접한 구리에서 발생하는 와전류로 인해 약간의 인덕턴스를 희생할 의향이 있다면 문제가 되지 않습니다. 더 나은 옵션은 이를 차폐된 인덕터와 결합하는 것입니다; 접지를 차폐용으로 사용하는 이점과 함께 인덕터 패키지가 자기장을 더 잘 포함할 것입니다. 상단 층의 노이즈 문제는 적절한 레이아웃과 제어 회로 및 민감한 트레이스에 더 가까운 GND 네트를 배치함으로써 추가 차폐를 통해 해결됩니다마크 해리스는 오래된 프로젝트에서 좋은 예를 제공합니다.

스위칭 노드와 관련하여, 스위칭 노드 근처에 접지를 배치하면 스위칭 노드에서 멀어지는 과도한 노이즈 커플링이 발생하는지에 대해 일부 논란이 있을 수 있습니다. 정류 요소의 용량이 충분히 크다면, 가장 낮은 임피던스의 경로는 근처 접지면으로의 용량성 커플링을 통한 것이 아니라 정류 요소를 통한 것이 될 것입니다. 대부분의 경우, 이는 정류 MOSFET의 단말 용량입니다.

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