SMPS 회로 설계: 어떤 스위칭 주파수를 사용해야 할까요?

네트워크 스위치의 전원 공급 장치

전력 전자 및 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS) 설계자는 높은 스위칭 주파수를 사용할 때 시스템의 스위칭 손실이 증가할 수 있다는 것을 알아야 합니다. 그러나 전원 공급 장치와 그 구성 요소를 소형화하려는 추세는 설계자들이 SMPS 회로 설계에서 높은 스위칭 주파수를 사용하도록 강요합니다. 이로 인해 스위칭 손실과 노이즈가 시스템에서 심각해질 수 있는 문제가 발생합니다.

대부분의 엔지니어링 결정과 마찬가지로, 올바른 스위칭 주파수를 선택하는 것은 구성 요소 크기를 줄이고, 손실을 줄이며, 노이즈를 제거하는 일련의 절충안을 포함합니다; 이 세 가지를 동시에 달성하는 것은 어렵거나 불가능할 수 있습니다. 그러나, 현명한 PCB 레이아웃 결정을 통해 SMPS 회로에서 높은 주파수와 에지 속도의 필요성과 최소한의 노이즈를 유지해야 하는 필요성 사이의 균형을 맞출 수 있습니다.

SMPS 회로에서 주파수, 손실, 및 노이즈 최적화

SMPS가 더 작은 구성 요소로 작동하려면 스위칭 PWM 신호가 더 높은 주파수에서 작동해야 합니다. 출력 인덕터, 커패시터 및 다이오드는 출력을 통해 직류 전력을 전달하면서 스위칭 노이즈, 입력 전압의 잔류 리플(예: 정류 회로에서), 그리고 입력에 존재할 수 있는 임의의 고조파를 필터링하도록 설계되었습니다. 다시 말해, 출력은 일정한 대역폭 내에서 저역 통과 필터(실제로는 RLC 대역 통과 필터)처럼 작동합니다. 이 필터의 롤오프 주파수를 정의할 수 있습니다(스위칭 디지털 신호의 무릎 주파수와 혼동해서는 안 됩니다).

출력을 통해 PWM 스위칭 노이즈가 전파되는 것을 방지하기 위해, PWM 스위칭 주파수는 회로의 롤오프 주파수보다 커야 합니다. SMPS 회로에서 벅 또는 부스트 토폴로지를 사용하고 있든, 출력의 롤오프 주파수는 출력 커패시턴스와 인덕턴스에 반비례할 것입니다. 즉, 충분히 높은 PWM 스위칭 주파수를 사용하면 SMPS 회로에서 더 작은 구성 요소를 사용할 수 있습니다.

쉽고 강력하고 모던한 서비스

세계에서 가장 신뢰할 수 있는 PCB 설계 시스템

자세히 알아보기

벅-부스트 SMPS 회로도

일반적으로 SMPS 회로에서 PWM 신호의 스위칭 주파수가 손실의 주요 결정 요인이 되어 열로 변환된다고 가정합니다. 높은 주파수를 사용할 때의 이 문제는 맞지만, 주파수만이 MOSFET에서의 손실을 결정하는 유일한 매개변수는 아닙니다. 실제로 SMPS 회로에서 사용되는 전력 MOSFET의 경우, 에지 속도는 SMPS 회로에서의 발열 손실을 결정하는 중요한 요소입니다.

회로 요소는 이상적이지 않지만, 적절하지 않을 때 그렇게 취급하는 경향이 있습니다. 위에 표시된 MOSFET에도 같은 것이 적용됩니다. PWM 신호가 0V로 떨어질 때, MOSFET이 완전히 꺼지지 않고 에지 속도가 너무 느릴 때 계속해서 전도할 수 있습니다. PWM 신호의 에지 속도를 높이면, MOSFET을 완전히 순환시킬 수 있고 OFF 상태에서 더 적게 전도하게 됩니다. 이는 실제로 스위칭 주파수를 높은 값으로 설정하더라도 전력 손실을 줄입니다.

더 높은 PWM 주파수와 더 빠른 PWM 에지 속도의 조합은 SMPS 회로에서 더 작은 구성 요소를 사용할 수 있게 합니다. 전력 손실(즉, 열 발산)이 낮기 때문에 더 작은 방열판을 사용할 수 있습니다. 그러나 더 높은 주파수의 PWM 신호는 강하게 방사되며, 더 빠른 에지 속도는 회로에서 과도 응답을 초래합니다. 이러한 행동은 전적으로 MOSFET 패키지와 보드 레이아웃 수준에서의 기생 용량과 인덕턴스와 관련이 있습니다. SMPS 회로가 기생 인덕턴스가 최소화되도록 배치되어 있는지 확인해야 합니다.

현명한 레이아웃 선택으로 SMPS 노이즈 스파이크 줄이기

SMPS 회로의 기생 인덕턴스(하류 PDN 포함)는 SMPS 회로에서 전압 스파이크의 크기를 결정합니다. 기생 용량도 SMPS 회로에서 전압/전류 스파이크에 기여하지만, 이는 kV 수준에서 작업할 때까지 지배적이지 않습니다. 기생 인덕턴스로 인한 특정 전압 스파이크는 SMPS 레이아웃의 회로 루프를 차지하여 구성 요소가 고장에 이르기까지 스트레스를 받게 합니다.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

Learn More

더 빠른 에지 속도를 사용하면 SMPS 회로에서 더 큰 순간 전류를 유발하게 됩니다. 표준 두께 FR4에서 몇 cm 정도의 비교적 짧은 트레이스도 약 10 nH의 기생 인덕턴스를 가집니다. PWM 신호의 빠른 상승 에지가 몇 암페어의 ON 전류와 함께 있을 때 몇 볼트의 스파이크를 유발할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 이는 구성 요소에 스트레스를 주고 SMPS의 실패로 이어집니다.

더 높은 스위칭 주파수와 더 빠른 PWM 에지 속도를 사용하면 이 인덕터와 이 커패시터보다 작은 구성 요소를 사용할 수 있습니다.

이 도전을 극복하는 것은 SMPS 회로에서 기생 성분을 추출하는 것이 필요하기 때문에 어려울 수 있습니다. 이러한 회로를 설계할 때 일반적인 전략은 회로도에서 시뮬레이션을 실행하여 기능을 검증한 다음, 프로토타입을 제작한 후 테스트하는 것입니다. 여기에 개요된 지침을 따르면, 작동하는 장치를 얻기 위해 필요한 프로토타이핑 스핀의 수를 줄일 수 있기를 바랍니다.

Altium Designer^®의 설계 도구는 SMPS 회로를 설계하고 제작 및 조립으로 넘어갈 수 있는 강력한 레이아웃을 생성하는 데 이상적입니다. 사전 레이아웃 및 사후 레이아웃 시뮬레이션 도구를 사용하면 제조로 이동하기 전에 디자인을 검토할 수 있습니다. 이제 Altium Designer의 무료 체험판을 다운로드하여 업계 최고의 레이아웃, 시뮬레이션 및 생산 계획 도구에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다. 오늘 Altium 전문가와 대화하세요 더 알아보기 위해.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More