스위치 모드 전원 공급 PCB 설계 가이드라인

전원 공급 장치 설계자는 스위치 모드 전원 공급 PCB 레이아웃에 수반되는 복잡한 기술적 세부 사항과 기능 관련 요구사항을 이해합니다. 레이아웃은 전자파 장해(EMI), 열거동, 전력 무결성, 안전에 대한 민감성을 결정합니다. 레이아웃이 우수하면 레이아웃의 고열 구성요소로부터 먼 곳으로 열전달을 허용하면서 전력 변환 및 전달을 보장할 수 있고 전자 시스템 주변의 노이즈 커플링을 낮게 유지할 수 있습니다. 스위칭 레귤레이터에서는 안전 역시 중요한 요소인데, 스위칭 레귤레이터는 출력에 대해 고전류를 공급하여 안전 위험을 유발할 수 있습니다.

레이아웃 선택이 좋지 않으면 높은 전류 수준을 유발하는 문제가 발생할 수 있으며, 입력 및 출력 전압 간에 차이가 크기 때문에 문제가 명백하게 보입니다. 좋지 않은 PCB 레이아웃에서 흔히 볼 수 있는 전원 공급 문제에는 출력 전류가 높을 때의 조정 손실, 출력 및 스위칭 파형에서 과도한 노이즈 발생, 회로 불안정 등이 있습니다. DC 전력 무결성 시뮬레이션 도구, 회로 시뮬레이션, 분석 기능을 조합하고 최고의 레이아웃 세트 및 라우팅 유틸리티로 설계자는 안전하고 안정적인 장치를 완성할 수 있습니다.  Altium Designer는 전원 공급 PCB 레이아웃 소프트웨어는 물론, 이러한 문제를 예방하는 데 도움이 되는 다양한 요소를 제공합니다.

ALTIUM DESIGNER

스위치 모드 전원 공급 PCB 레이아웃 가이드라인을 따르는 데 도움이 되는 PCB 설계 소프트웨어입니다.

전원 공급 장치는 다양한 어려움에 직면해 있으며, 제대로 작동하려면 완성도 높은 설계와 분석 기능 세트가 필요합니다. 또한 이러한 설계는 사용자가 고전압에 노출되거나 사용자에게 갑작스러운 전류 방전이 발생할 수 있어 사용자의 안전에 심각한 위험을 유발할 수 있습니다. 설계자가 안전하고 정확하며 안정적인 전원 공급 장치를 확실히 구축하려면 어떻게 해야 할까요?

스위치 모드 전원 공급 장치는 반응형 회로에서 스위칭 전력 소자를 사용하여 고전류 정류 AC와 고전압 간을 변환하는 데 표준입니다. 이러한 구성 요소는 비선형적이며 일반적인 LDO 레귤레이터와는 피드백을 사용하여 조정을 유지합니다. LDO에서는 오차 증폭기의 포화를 통해 조정이 유지되어 PCB 레이아웃에서 열로 볼 수 있는 저항성 손실을 생성합니다.

스위칭 레귤레이터는 조정 및 효율성 측면에서 선호되지만, 더 많은 구성요소가 포함되면 레이아웃이 어려울 수 있으며, 이 중 일부는 적절히 배열하지 않으면 파라시틱이 더 커지면서 노이즈 문제에 취약해질 수 있습니다. 전원 공급 장치 레이아웃 제작을 시작하려면 설계가 확실히 안정적인지 확인할 수 있도록 스위치 모드 전원 공급 PCB 레이아웃 가이드라인을 따르십시오.

SMPS PCB 레이아웃 시작하기

따를 경우 설계에 소음 문제가 적고, 방사 전자파 장해(EMI)가 낮고, 저온을 유지하는 데 도움이 되는 몇 가지 기본적인 SMPS PCB 레이아웃 규칙이 있습니다. 대체로 이러한 지침은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

• 접지를 제대로 정의하고, PCB 레이아웃의 경로를 짧게 설정하고, 소음 커플링이 발생하지 않도록 PCB에 갈바닉 분리 섹션을 배열하여 EMI를 낮게 유지하도록 노력합니다.
• 레이아웃에 노이즈가 있거나 엔벨로프 트래킹과 같은 기능이 필요하거나 특정 노이즈 소스가 설계에 문제를 일으키는 경우 필요하면 적절한 입력 및 출력 EMI 필터 회로를 활용합니다.
• 중요한 구성요소로부터 먼 방향의 방열 경로를 제공하기 위해 구리를 많이 사용하십시오. 필요하면 고유한 인클로저 설계 및 뜨거운 구성요소에 대한 방열판 또는 팬 등을 고려할 수 있습니다.
• 스위칭 이벤트 중에 설계에 기생 진동이 발생하지 않도록 MOSFET 배열과 같은 고속 스위칭 고전류 회로를 배치합니다.

Underwriter Laboratories 및 IEC와 같은 규제 기관은 전원 공급 장치의 방사 전자파 장해(EMI), 전도 EMI, 안정성, 효율성, 작동 수명을 테스트합니다. 스위치 모드 전원 공급 장치는 의도치 않게 방사체가 될 수 있기 때문에 FCC 및 CE 규제에서는 스위치 모드 전원 공급 장치의 방사에 대한 한계치도 규정합니다. Altium Designer는 장치의 전기적 행동에 관해 자세히 알기 위해 필요한 회로 분석 도구를 제공하며, PCB 레이아웃 도구를 활용하면 시뮬레이션한 전기적 사양을 고려하면서 위의 요구사항을 충족하는 레이아웃을 만드는 데 도움이 됩니다.

접지 정의 시 주의 사항

고려해야 할 첫 번째 스위치 모드 전원 공급 PCB 레이아웃 가이드라인은 레이아웃에 접지를 정의하는 방법입니다. 스위칭 전원 공급 회로를 설계할 때는 5개의 접지 지점이 존재한다는 점을 기억하십시오. 이들은 갈바닉 절연을 보장하기 위해 여러 전도체로 분리될 수 있습니다. 해당 지점:

• 입력 고전류 소스 접지
• 입력 고전류 루프 접지
• 출력 고전류 정류기 접지
• 출력 고전류 부하 접지
• 저수준 제어 접지

이러한 지상 연결은 각각 컨버터, 정류기 또는 레귤레이터 회로의 갈바닉 절연 필요에 따라 물리적으로 분리된 전도체에 존재할 수 있습니다. 전원 공급 회로에는 접지가 용량성으로 결합될 경우 근처의 전도성 인클로저를 통해 흔히 발생하는 것처럼 공통 모드 노이즈가 발생할 수 있습니다. PCB의 접지 영역은

어떤 이유로 DC 오프셋을 일부 제거하기 위해 접지를 교락해야 하는 경우에는 고주파 필터링을 제공하고 접지 영역 간의 DC 오프셋을 제거하는 Y 등급 커패시터가 최선의 옵션입니다.

각각의 고전류 접지는 1개의 전류 루프 다리 역할을 하지만, 전류에 대한 저임피던스 반환 경로를 제공하는 방식으로 배치해야 합니다. 고전류와 낮은 등가 인덕턴스를 허용하려면 접지면에 대한 여러 바이어스가 필요할 수 있습니다. 시스템 접지에 따라 위치할 수 있는 지점과 전위는 회로의 여러 지점 간을 전도하는 DC 및 AC 신호를 측정하는 지점이 됩니다. 나가는 고전류 AC 접지에서 노이즈를 방지해야 하기 때문에, 적절한 필터 커패시터의 음극 단자는 고전류 접지의 연결 지점 역할을 합니다.

접지 영역을 정의하는 모범 사례는 넓은 면 또는 폴리곤 푸어를 사용하는 것입니다. 이 영역은 DC 출력으로부터 먼 곳으로 노이즈를 발산하는 저임피던스 경로를 제공하며, 귀전류를 처리할 수 있습니다. 또한 필요할 때 중요한 구성요소로부터 먼 곳으로 열전달하기 위한 경로를 제공합니다.  양쪽 면에 접지면을 배치하면 방사 전자파 장해(EMI)를 흡수하고, 소음을 줄이고, 접지 오류 오차를 줄일 수 있습니다. 와전류 내에서 정전 차폐 및 발산 방사 EMI로 작동할 때 접지면은 또한 전력면의 트레이스와 구성요소를 신호면 구성요소로부터 분리합니다. Altium Designer의 CAD 도구를 사용하면 PCB 레이아웃의 접지를 쉽게 정의하고 PCB에서 대형 전도체를 접지 영역으로 사용하기 위해 배치할 수 있습니다. 특히 스위칭 전원 공급 장치로 작업할 때는 접지면을 PCB 양쪽 면에 사용하고 바이어스를 사용하여 이를 교락하면 접지 전체에 일관적인 전위를 유지할 수 있습니다.

• 설계의 접지 영역은 기능에 따라 여러 개의 이름을 부여할 수 있습니다. 설계에서 접지 영역을 정의할 때 주의하시고, 적절히 연결했는지 반드시 확인하십시오. 
  회로기판의 접지, 디지털, 아날로그 접지에 관해 자세히 알아보십시오.
• 접지면은 전원 공급 PCB 레이아웃을 넘어 시스템에서 중요합니다. 어셈블리에 영향을 미치지 않고 임피던스가 낮게 유지되도록 연결을 정의했는지 확인하십시오. 
  Altium Designer 내에서의 접지면 생성에 관해 자세히 알아보십시오.
• 공통 모드 노이즈 및 전도 리플은 PCB 레이아웃에서 상당한 노이즈 소스이며, 노이즈가 극단적일 경우 설계가 EMI 테스팅에 불합격할 수 있습니다. 
  전원 공급 장치의 EMI와 이를 줄이는 단계를 자세히 알아보십시오.

도식 편집기 도움 레이아웃

접지는 PCB 레이아웃의 노이즈 면역 및 경로 지정 용이성을 결정하기 때문에 설계를 시작할 때 중요한 위치입니다. 하지만 이는 전원 공급 장치 설계에서만 고려할 사항이 아닙니다. 스위칭 작업 및 EMI 억제는 전원 공급 장치 안에 구축되며, PCB 내에서 명확히 정의해야 합니다.

접지 연결 수립 방법

SMPS 제어기가 출력 전압을 정확하게 조정하는 능력은 저수준 제어 지면의 연결에 달려 있습니다. 집적 회로, 입력 커패시터, 출력 커패시터, 출력 다이오드를 작업할 때는 구성요소가 접지 평면에 확실히 연결되었는지 확인하십시오. 접지 연결은 제어 IC 및 관련 회로망이 AC 전류, DC 전류, 출력 전압, 기타 주요 매개변수를 측정하는 지점으로 연결됩니다. 저수준 접지를 전류 감지 저항기 또는 출력 분압기로 연결하면 제어 회로가 공통 모드 노이즈를 감지하는 경우가 방지됩니다.

스위칭 작업 설계하기

SMPS는 차단 작동 상태와 포화 작동 상태 사이로 패스 유닛을 신속하게 전환하고 출력 부하로 정전력을 전달하여 동작합니다. 차단시 고전압은 통과 유닛 전체에 존재하지만 전류 흐름은 없습니다. 포화 시 고전류는 통과 유닛을 통해 흐르며 전압이 아주 미세하게 감소합니다. 반도체 스위치가 DC 입력 전압에서 AC 전압을 생성하므로, SMPS는 변압기로 전압의 단계를 높이거나 낮추고 출력에서 전압을 DC로 다시 필터링할 수 있습니다.

펄스폭 변조(PWM) 스위칭 전원 공급 장치는 전진 모드 또는 부스트 모드에서 작동합니다. 전진 모드 공급 장치는 필터로부터 획득한 출력의 전압-시간 평균으로부터 DC 출력 전압을 생성하는 출력에서 L-C 필터를 가집니다. 신호의 전압시간 평균을 제어하기 위해 스위칭 전원 공급 장치 컨트롤러는 입력 렉탱귤러 전압의 듀티 사이클을 변경합니다.

벅 컨버터와 부스트 컨버터 비교

부스트 컨버터 모드는 전원 스위치가 켜지면 인덕터를 입력 전압 소스 전체에 직접 연결합니다. 인덕터 전류는 0에서부터 증가하며, 전원 스위치를 끄는 동시에 최대치에 도달합니다. 출력 정류기는 인덕터 출력 전압을 클램핑하고 전압이 공급 출력 전압을 초과하는 경우를 방지합니다. 인덕터의 코어에 저장된 에너지가 출력 커패시터로 전달되면, 인덕터의 스위치된 단자는 입력 전압의 수준으로 돌아갑니다.

한편 벅 컨버터 모드 공급 장치는 동일한 구성요소를, 입력 전압보다 낮은 수준으로 인덕터의 백 EMF를 클램핑하는 다른 토폴로지에서 사용합니다. 스위칭 동작은 부스트 컨버터와 동일한 효과를 제공합니다. 즉, 출력 전류가 충전/방전 커패시터와 경쟁하여 진동함으로써 출력 전력의 조정을 지원합니다. 두 가지 유형의 레귤레이터/컨버터 토폴로지 모두 스위칭 노이즈가 설계의 출력 포트로 전파되도록 허용하며, 이는 출력의 고주파 리플로 확인할 수 있습니다.

전원 공급 장치 라우팅으로 저노이즈 작동 보장

스위칭 전원 공급 장치는 노이즈 주파수가 스위칭 주파수의 약 100배에 도달할 때까지 고주파 노이즈를 전도합니다. 그 다음, 노이즈 주파수가 데케이드당 -20~-40dB의 속도로 떨어집니다. 레귤레이터가 "켜짐" 및 "꺼짐" 전원 상태에서 작동하므로, 에지가 날카로운 큰 전류 펄스가 스위칭 전원 공급 회로 내에서 흐르며, 이에 따라 EMI가 생성됩니다. ON 및 OFF 전원 상태 간의 전환으로 인해 EMI가 생성되며, 전원 공급 장치 레이아웃의 전류 루프가 너무 크면 시스템의 다른 곳으로 이 EMI가 유도될 수 있습니다.  스위칭 전원 공급 회로는 전원 스위치 루프와 출력 정류기 루프로 구성되며, 과도한 노이즈를 방지하기 위해 적절하게 라우팅되어야 합니다.

전원 공급 장치의 레이아웃을 배치할 때는 루프의 둘레와 트레이스의 길이 또는 너비를 특히 주의하십시오. 루프 둘레를 작게 유지하면 루프가 저주파 노이즈 안테나로 작동할 가능성이 사라집니다. 회로 효율성 관점에서 더 넓은 트레이스는 전원 스위치 및 정류기에 대한 히트 싱크를 추가로 제공합니다. 활성 경로 라우팅 엔진을 사용하여 사람의 라우팅 결과를 달성하고 스위칭 전류 루프가 동일한 방향으로 전도되도록 구성요소를 정렬할 수 있습니다. 전류 루프가 같은 방향으로 전도되면 따라 제어 전자 회로는 레이아웃의 특정 지점으로 결합됩니다. 결과적으로 자기장은 두 개의 반주기와 방사된 EMI 간에 위치한 트레이스를 따라 뒤집을 수 없습니다.

• Altium Designer의 라우팅 도구를 사용하면 고전류/고전압선에 대한 폴리곤을 쉽게 배치하고 데이터 및 제어선에 더 얇은 트레이스를 배치할 수 있습니다. 
  Altium Designer의 전원 공급 장치 레이아웃을 라우팅하는 방법에 관해 자세히 알아보십시오.
• 전원 공급 장치 레이아웃을 작업할 때는 높은 스위칭 전류를 처리하는 트레이스를 짧고, 직접적이며, 두껍게 유지하십시오. IPC 표준은 권장 트레이스 폭을 계산하는 데 사용할 수 있지만, 경험에 따르면 암페어당 최소 폭은 15밀입니다. 
  높은 허용 전류를 보장하기 위해 트레이스 폭을 계산하는 방법에 관해 자세히 알아보십시오.
• SMPS 내의 EMI 필터는 DC 입력 및 출력 배선 내에서 전도된 고주파 전류에 의해 발생하는 고주파수 노이즈를 억제합니다. 라이브러리 및 Altium 콘텐츠 저장소에 있는 통합 구성요소 가격 및 가용성과 데이터시트 링크를 설계 필터에 사용하면 가장 좋은 결과를 볼 수 있습니다. 
  PCB 레이아웃의 EMI 필터 회로에 관해 자세히 알아보십시오.

SMPS AC 전압 노드를 위한 PCB 레이아웃 팁

SMPS 구성에 따라 AC 전압 노드는 전원 MOSFET 또는 BJT의 집전체와 출력 정류기의 애노드에 존재합니다. 이러한 노드 각각의 AC 전압은 높을 수 있습니다. 예를 들어 MOSFET 드레인의 피크 대 피크 AC 전압은 입력 전압의 1~2배 정도로 측정할 수 있습니다. 드레인이 전열체를 통해 히트싱크로 고정되면 접지된 방열판은 용량성으로 결합된 노이즈에 대한 경로를 제공합니다. Altium Designer의 PCB 레이아웃 도구를 사용하여 취약한 신호를 노이즈가 심한 AC 노드 아래에 배치하는 대신 같은 면에 배치할 수 있습니다. 또한 노드 아래에 위치한 접지면을 크로스 해치하여 노이즈를 제거할 수 있습니다.

표면 마운트 환경은 커패시턴스의 값이 작지만 노이즈를 민감한 신호에 결합할 수 있습니다. 이러한 요인 때문에, 레이아웃은 또한 AC 노드 전압이 방열판 또는 인접한 접지면에 용량성으로 결합될 가능성을 해결해야 합니다. 표면 PCB 설계의 레이아웃을 배치할 때는 전원 스위치 또는 정류기에 대한 방열판으로서 사용할 수 있을 만큼 큰 노드를 만듭니다. 일부 멀티레이어 설계는 AC 노드와 동일한 AC 노드 아래에 모든 레이어를 만들고 이 레이어를 도금된 쓰루 홀과 연결하여 설계의 열용량을 늘립니다.

완성도 높은 설계와 레이아웃 툴세트를 제공하는 Altium Designer

Altium Designer에 갖추어진 완전한 PCB 설계 및 레이아웃 기능은 안정적이고 안전한 전원 시스템을 만드는 데 필요한 도구를 제공합니다. 또한 고전력 DC 시스템에서 고주파수 AC 시스템에 이르기까지 어떤 응용 분야에서도 사용할 수 있는 중요한 전원 공급 회로 토폴로지 및 EMI 필터를 만들고 시뮬레이션할 수 있습니다. Altium Designer의 PDN 분석기 플러그인은 회로의 DC 전류 및 전압 분석을 위한 최고의 리소스를 제공합니다. 스위치 모드 전원 공급 장치용 PCB 레이아웃 설계는 어렵게 느껴질 수 있지만, Altium Designer는 복잡한 전원 공급 장치를 이해하기 쉬운 작업으로 분할해 주는 도구를 제공합니다.

• Altium Designer는 아이디어를 현실로 구현하는 데 필요한 모든 것을 제공합니다. Altium Designer에서는 간단한 MOSFET 회로부터 고급 RF 전원 공급 장치 설계까지 원하는 모든 것을 제작할 수 있습니다. 
  Altium Designer의 통합 PCB 설계 도구에 관해 자세히 알아보십시오.
• Altium Designer의 PDN Analyzer 확장을 사용하면 업계 표준 DC 전력 무결성 시뮬레이션으로 전원 공급 장치 출력을 분석할 수 있습니다. 
  Altium Designer의 PDN Analyzer 플러그인에 관해 자세히 알아보십시오.
• 모든 Altium Designer 사용자는 Altium 365 플랫폼을 통해 전력 공급 장치 설계를 공유할 수 있습니다. 설계 팀은 Altium 365를 사용하여 생산성을 유지하고 안전한 클라우드 환경에서 설계 데이터를 공유합니다. 
  Altium 365에서 PCB 설계 데이터를 공유하는 방법에 관해 자세히 알아보십시오.

Altium은 항상 통합 설계 인터페이스에서 간소한 설계 경험을 사용자에게 제공하는 것을 목표로 삼습니다. Altium Designer의 도식 편집기, PCB 편집기, SPICE 시뮬레이션 패키지, 라우팅 기능, 시뮬레이션 도구는 안전하고 신뢰할 수 있으며 노이즈가 없는 전원 공급 장치를 구축하는 데 필요한 모든 것을 제공합니다. 완전한 구성요소 제작 및 관리 도구 세트가 필요하면 업계 최고의 ECAD 유틸리티를 사용하여 설계를 제작하고 시뮬레이션하십시오.

Altium Designer on Altium 365는 지금까지 소프트웨어 개발의 세계로 밀려난 전자 산업계에 전례 없는 수준의 통합을 제공하며, 이에 따라 설계자는 재택근무 중에도 이전보다 훨씬 뛰어난 수준의 효율성을 발휘할 수 있습니다.

지금까지 알아본 내용은 Altium Designer on Altium 365에서 할 수 있는 일의 극히 일부에 불과합니다. 더욱 자세한 기능 설명은 제품 페이지 또는 온디맨드 웨비나 중 하나를 참조하십시오.