일반적인 컨버터 디자인 솔루션의 불확실한 잡음 문제를 겪지 않으면서 DC/DC 컨버터를 정밀 장비 및 잡음에 민감한 광대역 통신 장비 등의 애플리케이션 분야에 이용할 수 있게 되었다.
전력과 초저잡음을 동시에 제공하는 스위칭 레귤레이터
글│릭 브루스터(Rick Brewster), 리니어 테크놀로지
DC/DC 전원장치는 높은 효율과 소형의 크기에 의해서 전압 변환이 가능해 선호되는 기법이다. 효율이 증가하는 반면 EMI (electromagnetic interference)를 전도하고 방사하는 추가적인 문제를 야기한다. 이 EMI는 변환 과정에서 이용되는 고주파 스위칭의 부수적인 결과이다. EMI는 잡음 시스템을 야기하며 규제 기관의 규정을 충족할 때 어려움을 야기할 수 있다. 많은 까다로운 애플리케이션들이 작동을 위해서 극히 낮은 전원장치 잡음을 요구한다.
스위처 잡음을 다루기 위해서 다수의 기법들이 이용되고 있다. 이러한 기법의 목록으로는 더 복잡한 토폴로지를 이용하고, 고주파 성분을 여과하거나 차폐하기 위해서 추가적인 부품 및 자재가 필요하며, 인쇄 회로 보드 레이아웃에 신중한 주의를 기울이고, 스위칭 주파수를 낮은 평균 방사(피크는 아니더라도)로 디더링하는 것을 포함한다. 이들 솔루션은 각기 고유의 문제와 비용을 발생시키며 통상적인 엔지니어의 범위를 벗어나는 특정한 전문성을 필요로 할 수 있다.
LT1683과 LT1738은 메인 스위치의 전류 및 전압 슬루율을 제어해서 문제의 소스에서 잡음을 감소시키는 스위칭 레귤레이터 컨트롤러이다. 이들 슬루율을 제어함으로써 출력 전압과 입력 및 출력 전류 모두에 있어서 상당한 고주파 고조파 에너지의 소스를 제거할 수 있다. 사용자는 슬루율을 적합하게 설정함으로써 효율에 있어서 수 퍼센트의 손실만을 필요로 하는 최적의 설정으로 잡음과 컨버터 효율을 절충할 수 있다. 디자인을 단순하고 더 완벽하게 하면서 문제의 원인을 해결할 수 있다.
2개의 외부 MOSFET 스위치를 이용하는 LT1683은 푸쉬풀 토폴로지에 이용하도록 설계되었으며, LT1738은 단일 스위치 토폴로지를 위해 단일 외부 MOS-FET을 이용한다. 이들 스위치는 외부적이므로 사용자가 전원의 전압 및 전류 정격을 완벽하게 제어할 수 있다.
슬루율 제어
통상적인 스위치 전압 구형파 신호의 퓨리에 분석에 의하면 고조파 피크가 기본 주파수에서 시작해서 20dB/dec에서 롤오프한다는 것을 알 수 있다. 이 구형파의 에지를 사다리꼴이 되도록 슬루하면 1/tSLEW에서 이차 20dB/dec 롤오프가 발생한다. 여기서 tSLEW는 파형 전이에 걸리는 시간이다.
스위치 모드 전원장치는 대부분의 EMI/잡음이 전력 스위치의 스위칭 동작에 의해서 발생된다. 효율을 위해서 이들 전이가 일반적으로 급격하게 되도록 이루어지며, 하지만 이들 에지를 슬루함으로써 효율을 완만하게 저하시키면서 잡음을 큰폭으로 줄일 수 있다. 그러므로 해결해야 할 과제는 스위치 전압 및 스위치 전류 모두를 어떻게 정밀하게 슬루하느냐는 것이다. 전압 전이는 스위처로 커패시티브 결합을 발생시키며, 반면에 전류 전이는 자기 결합을 일으킨다. 이 둘을 줄이는 것이 매우 낮은 잡음의 스위처를 달성하기 위해서 중요하다.
인덕티브 부하의 정상적인 스위칭 사이클 시에는 스위치가 턴온하고, 스위치가 전류를 인덕터로부터 방향을 돌릴 때까지 전류가 상승하고, 그런 다음 전압이 하강한다. 그러므로 디자이너들은 전류를 슬루하고 그런 다음 전압을 슬루하는 것으로 매끄럽게 전환하고자 한다. 스위치가 턴오프할 때는 그 반대로 이루어진다.
LT1683과 LT1738은 듀얼 피드백 루프를 채택해서 슬루 제어를 다룬다. 그림 1은 기호를 이용해서 단일 채널이 어떤 모습인지 보여준다. 전압 슬루 제어는 사용자 정의 외부 저항 RVSL을 기반으로 외부 커패시터 CV와 충전 또는 방전 전류 IVSL을 이용한 단순한 적분기이다.
그림 1.
전류 슬루 제어는 다음과 같은 방식으로 이루어진다. 검출 저항 상에서 구축된 전압이 내부 커패시터 CC를 통해서 증폭되고 미분된다. 그러므로 CC의 전류가 dI/dt에 비례하다. 이 전류는 사용자 정의 외부 저항 RCSL에 따라서 ICSL 값으로 제한된다. CC의 전류의 크기는 IVSL에 비례한 전류로 환산되고 적분 노드(Cap 핀)으로 인가되어서 스위치를 제어한다. 이러한 방식으로 슬루율을 제어하고 연계해서 신속하고 효율적인 온 및 오프 전이를 제공한다.
극히 낮은 잡음 48V-5V 컨버터
그림 2는 푸쉬풀 포워드 컨버터 토폴로지로 LT1683을 이용한 컨버터 회로도를 보여준다. LT1683은 발진기, 오차 증폭기, 게이트 드라이버, 보호 회로를 비롯해서 컨버터를 위한 모든 제어 회로를 포함한다. 드레인에서 Cap A 및 Cap B로 커패시터 분할기 네트워크가 효과적인 0.33pF 커패시터를 제공하며, 이것이 전압 슬루율 피드백에 이용된다. 전류 슬루 피드백은 LT1683의 내부적으로 이루어지며 CS 전압을 피드백(스위치 전류)으로 이용한다.
그림 2.
푸쉬풀 토폴로지는 낮은 잡음 스위처에 바람직하다. 입력으로부터 더 연속적으로 전류를 인출하고, 그러므로 전도 방사를 감소시키기 때문이다.
그림 3은 컨버터의 출력 잡음을 보여준다. 하단 트레이스는 레귤레이터의 출력 전압이다. 잡음은 스위처의 기본 주파수가 대부분을 차지한다. 추가적인 필터로 이 성분을 추가적으로 여과함으로써 스위처의 잡음이 확연히 감소하는 것을 볼 수 있다. 나머지 잡음은 2A 출력일 때(대역폭 = 100MHz) 200μVP-P에 불과하다.
그림 3.
LT1683은 다수의 보호 기능을 제공한다. 첫째, SHDN 핀은 전원으로 저전압 록아웃을 제공하므로 입력이 상승하고 작동된 후에 컨버터가 시작하도록 허용된다. 뿐만 아니라 GCL 핀은 MOSFET 상에서 과도한 게이트 전압을 방지하고 MOSFET이 충분한 게이트 전압 없이 턴온하지 못하도록 한다. CS 핀 상에서 과도한 스위치 전류가 검출되면 MOSFET이 턴오프된다. 전압 슬루 제어에 의해서 MOSFET 드레인 상의 클램프 또는 스너버가 제거되며 스위치 링잉 크기 및 지속시간이 80% 이상 감소한다.
극히 낮은 잡음 5V-12V 부스트 컨버터
그림 4는 LT1738을 이용한 5V~12V/ 1A 부스트 컨버터를 보여준다. 단일 스위치가 더 단순한 솔루션을 제공하나 대신에 잡음이 다소 더 높다.
그림 4.
그림 5는 1A일 때 출력 전압 상의 잡음을 보여주는 것으로서, 400μVP-P로 매우 낮다.
그림 5.
극히 낮은 잡음 30W 오프라인 전원
그림 6은 외부 스위치를 이용할 때의 유연성을 보여준다. 이 회로는 LT1738 및 단일 고전압 MOSFET을 이용한 AC 라인(90VAC~ 264VAC) - 12V/2.5A 컨버터이다. 기본적인 토폴로지는 플라이백 컨버터이며 광분리기와 결합적으로 출력의 완벽한 전기 절연을 제공한다. 트랜스포머 상의 오버와인딩 코일이 이 부품으로 전원 전압을 제공한다.
그림 6.
전원장치가 FCC 클래스 B 규정을 통과할 수 있도록 입력 필터를 이용해서 저주파 고조파를 감쇠할 수 있다. LT1738이 고주파 고조파와 EMI 잡음 성분을 감소시키므로 입력 필터 상에 접지 커패시터가 필요하지 않도록 한다.
결론
디자이너들이 극히 낮은 잡음 애플리케이션을 자신 있게 다룰 수 있도록 2개의 컨트롤러가 개발되었다. LT1683과 LT1738은 일반적인 컨트롤러 기능들을 제공할 뿐만 아니라 스위처의 EMI의 주요 성분들을 제어함으로써 출력 잡음을 간편하게 감소시킬 수 있다. 이제 일반적인 컨버터 디자인 솔루션의 불확실한 잡음 문제를 겪지 않으면서 DC/DC 컨버터를 정밀 장비 및 잡음에 민감한 광대역 통신 장비 등의 애플리케이션 분야에 이용할 수 있게 되었다.