스위칭 레귤레이터 레이아웃: 한 층인가, 두 층인가?

PCB에서 전형적인 스위칭 레귤레이터 레이아웃을 살펴보면, 보통 여러 가지 이유로 모든 것이 단일 레이어에 배치됩니다. 때로는 저전력 시나리오와 같이 회로가 물리적으로 작아서 공간을 절약하기 위해 두 레이어를 사용할 필요가 정말로 없습니다. 큰 스위칭 레귤레이터의 경우, 구성 요소의 물리적 크기가 크기 때문에 이론적으로 두 레이어에 배치하면 일부 공간을 절약할 수 있지만, 이는 장착 제약으로 인해 인클로저 내부에 배치하기가 더 어려워집니다.

중간 크기의 스위칭 레귤레이터가 있고, 몇 개의 이산 요소와 몇 개의 MOSFET이 있을 때, 일반적으로 큰 기계 부품(방열판이나 팬)이나 높은 캡/인덕터가 없기 때문에 모든 것을 두 레이어에 배치할 수 있는 유연성이 있습니다. 모든 것을 단일 레이어에 배치할지 두 레이어에 배치할지, 그리고 성능에 미치는 영향은 무엇일까요?

결과적으로, 두 층에 배치의 주요 영향은 기생성분과 노이즈 결합 측면에서 나타납니다. 설계를 더 작게 만들고 방사되거나 수신된 EMI를 낮출 수도 있지만, 제대로 배치하지 않으면 근처의 상호연결에 강한 결합을 일으킬 수 있습니다. 이 문제를 더 깊이 살펴보아 노이즈가 문제를 일으키기 시작하는 지점과 노이즈 결합을 방지하기 위한 몇 가지 해결책이 무엇인지 알아보겠습니다.

단층 및 이중층 스위칭 레귤레이터에서의 노이즈

모든 스위칭 레귤레이터는 dV/dt 노드와 dI/dt 루프에서 노이즈를 생성합니다. 하프브리지/풀브리지와 같은 더 복잡한 토폴로지의 경우, 스위칭 FET들 사이의 위상 차이에 따라 설계 내 다른 위치로 스위칭 노드가 이동할 수 있습니다. 보드에 PFC 회로가 있고 중요 도통 모드에서 작동한다면, 고저측 스위칭 노드에서 깊게 변조하여 높은 dV/dt 스파이크를 발생시킬 것입니다. 어떤 경우든, dV/dt 노드는 dI/dt 루프의 위치를 결정할 것입니다. 이 둘은 함께 설계 주변으로 노이즈가 어떻게 결합될 수 있는지를 결정할 것입니다.

아래의 예시 벅 컨버터 회로도는 이러한 노드들이 존재하는 위치를 보여줍니다. 부스트 컨버터나 격리된 토폴로지에 대해서도 비슷한 다이어그램을 그릴 수 있습니다. 스위칭 노드와 변동 전류 루프는 다이어그램에 표시되어 있으며, 이는 회로가 가장 많은 노이즈를 방사하는 지점입니다.

이러한 유형의 회로는 게이트 드라이버를 사용하여 PWM 펄스를 생성하고 Q1을 변조하는 방식으로 배치될 수 있습니다. 더 고급의 브리지 또는 공진 토폴로지는 기본적으로 같은 작업을 수행하지만, 전류 루프와 dV/dt 노드는 토폴로지에 따라 다른 지점들 사이에서 위치가 바뀔 수 있습니다.

부품을 배치할 위치를 결정할 때(단면 대 이중면 PCB 레이아웃), 레귤레이터가 차지하는 면적과 레귤레이터가 다른 회로에 결합할 수 있는 스위칭 노이즈 사이의 균형을 맞추게 됩니다. 각 스타일의 몇 가지 장점을 살펴보기 위해 몇 가지 예를 들어 보겠습니다.

단면 PCB 레이아웃 예시

이 예에서는 최대 2A의 전류를 공급할 수 있는 벅 레귤레이터 IC(텍사스 인스트루먼트의 TPS562201)를 살펴보겠습니다. 이 회로는 저항 분배기를 사용한 피드백 루프를 사용하여 출력 전압을 감지하고 내부 MOSFET을 트리거하여 스위칭을 생성하도록 단발 타이머를 조정합니다. 따라서, 출력 dI/dt 루프는 IC의 다이에 있는 그라운드 평면을 거쳐 이동하며, 이 아래에는 균일한 그라운드가 있어야 합니다.

이 회로를 레이아웃으로 옮길 때 두 가지 목표가 있습니다:

1. SW_OUT에서 발생하는 dV/dt 노이즈와 기생 커패시턴스 및 기생 인덕턴스를 통해 피드백 루프에 도달하는 자기 결합 노이즈를 방지합니다.
2. dI/dt 루프를 가능한 한 작게 유지하여 강하게 방사되지 않도록 하고, 이 루프 내의 도체의 인덕턴스가 스위칭 중 과도한 과도 오버슈트에 기여하지 않도록 합니다.

이 소형 스위칭 레귤레이터를 PCB에 배치하는 전형적인 접근 방식의 예는 아래에 나와 있습니다. 보드에서 스위칭 전류의 경로를 대략적으로 추적하여 설계가 방사될 수 있는 위치를 확인할 수 있습니다. 스택업은 4개의 레이어를 사용합니다. 이 설계에서는 R1에서 U1(레이어 2의 트레이스)로 되돌아가는 피드백 라인과 큰 구리 스위칭 노드(SW_OUT)가 있습니다.

피드백 트레이스는 일부 노이즈 커플링에 취약할 수 있으며, 이는 이 애플리케이션에서 상당히 중요합니다. 이 라인은 내부 MOSFET이 다음 스위칭 사이클에 대해 트리거될 수 있도록 내부 원샷 타이머가 리셋되어야 하는 시점을 결정하는 데 사용됩니다. 따라서 강한 노이즈를 피하고 정확한 피드백 측정을 보장하고 싶을 것입니다. 이 예에서, 레이어 2에 배치하고 주변을 접지로 둘러싸는 것은 낮은 인덕턴스를 보장하기 위한 좋은 전략입니다. L1에서 오는 스위칭 노이즈로부터 이 트레이스를 안전하게 보호하는 방법은 세 가지가 있습니다:

1. 하단 레이어에 두고 L1 및 SW_OUT에서 더 멀리 이동하세요
2. 상단 레이어에 배치하고, 일부 구리 푸어로 둘러싸고, 신중하게 크기를 조절한 스위칭 비아로 차폐하세요
3. 트레이스를 뒷면 레이어에 두어 GND에 의해 완전히 차폐되도록 하세요

#3을 선택하려면 출력 캡을 뒷면 레이어에도 배치하는 것이 좋겠습니다! 이것이 어떻게 보이는지 확인해 봅시다.

두 레이어 레귤레이터 회로에 대한 주의

출력 측에 전류 루프가 있는 두 레이어 회로는 두 레이어로 레이아웃하기에 매력적입니다. 이 배열은 때때로 레귤레이터의 LC 섹션 배치 때문에 클램쉘 디자인이라고 불립니다. 이 유형의 라우팅을 선택할 주된 이유는 기생성분을 제어할 수 있게 하여, 다른 회로에 스위칭 노이즈의 결합을 제어할 수 있게 하기 때문입니다. 이는 소형 폼 팩터 파워 레귤레이터를 다른 회로와 가까운 곳에 배치할 때 매우 바람직합니다.

수정된 2층 회로는 아래에 표시되어 있습니다(1층이 중점입니다). 저는 U1, C5, L1을 상단 층에 두고, 모든 작은 패시브 부품들은 하단 층에 두었습니다. 이 보드가 작은 스탠드오프가 있는 인클로저에 들어간다면, 두 층에 걸친 부피가 큰 부품들로 인해 문제가 발생하지 않을 것입니다. 또한, 이전 레이아웃에 비해 보드를 훨씬 더 작게 만들 수 있습니다.

하단 층은 아래에 표시되어 있습니다. 패시브 부품들을 하단 층으로 옮김으로써, 피드백 루프를 더욱 조여서 인덕턴스를 낮추고 2층과 3층의 접지에 의해 L1로부터 완전히 차폐되었습니다. 또 다른 이점은 SW_OUT입니다; 이것도 피드백 루프로부터 완전히 차폐되었습니다.

레이아웃을 어떻게 개선할 수 있을까요?

저는 어떤 레이아웃도 완벽하지 않으며 항상 개선할 부분이 있다고 믿습니다. 위의 레이아웃은 기술적으로 작동하지만, 레이아웃을 조금 변경하면 더 좋아지고 레이아웃을 좀 더 컴팩트하게 만드는 데 도움이 될 것입니다. 레이아웃의 단점은 자기장이 보드 표면을 따라 생성되므로 PCB의 상단과 하단 가장자리를 따라 데이터 신호를 라우팅할 수 없다는 것입니다. 이는 일부 데이터 신호를 포함할 다른 레이아웃에 이 디자인을 배치할 때 염두에 두어야 할 사항입니다.

레이아웃을 개선하는 다른 방법은 피드백 저항과 피드백 트레이스를 배치하는 것입니다. 이상적으로는 피드백 핀에 가까운 곳에 저항(R1 및 R2)을 배치하고 싶습니다. 이것이 전류 감지 저항이라면, 피드백 네트워크 저항의 수정을 최소화하기 위해 켈빈 연결을 구현하고 싶을 것입니다. 이를 뒷면 레이어에 배치하고 일부 GND를 추가하는 것이 일부 차폐를 추가하는 데 도움이 되지만, 출력 전압의 가장 정확한 추적을 위해 저항을 피드백 핀에 가까이 배치하는 것이 더 좋습니다.

U1에 90도 회전을 적용하고 구성 요소를 이동시키면 레이아웃을 좀 더 컴팩트하게 만들고 보드 크기를 줄일 수 있습니다.

저는 SW_OUT 노드의 대부분이 GND보다 위에 있고, 피드백 트레이스보다 위에 있는 것보다 이 방식이 더 낫다고 생각합니다. C3와 C4를 통한 dI/dt 루프도 훨씬 더 타이트합니다. 피드백 저항을 옮기는 것도 PCB 레이아웃의 전체 크기를 줄이는 데 도움이 됩니다.

이것이 단순한 레귤레이터 모듈이고 총 층수가 2개의 구리 층이라면, SW_OUT에서 민감한 트레이스를 멀리 이동시키고 총 경로 거리를 늘림으로써 스위칭 노드로부터의 차폐 외에 다른 조치를 취할 수 없을 것입니다. 이 레이아웃이 실제 제품에 사용되고 다른 구성 요소가 있다면, 내부 층에 GND 푸어나 전체 GND 평면(예: 최소 4층 보드)이 있을 가능성이 높습니다. 이는 피드백 트레이스/SW_OUT의 루프 인덕턴스를 더욱 줄이고 이러한 제어 트레이스를 SW 노드로부터 차단하여 노이즈 커플링으로부터 일정한 보호를 제공하는 방법을 제공합니다.

확장하기

단일 전력 MOSFET의 이 원리를 이해하면, 두 개의 MOSFET을 사용하는 동기 변환기나 더 고급의 브리지 변환기, 공진 변환기, 다상 변환기로 이를 확장할 수 있습니다. 이러한 레이아웃은 PCB 레이아웃의 다른 회로에 노이즈가 결합될 수 있는 위치가 더 많기 때문에 더 복잡합니다. 그러나 위의 노이즈 결합 원리를 따르면, 더 고급 전력 토폴로지를 설계할 때 성공할 수 있습니다.

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