낮은 EMI 달성하는 고전압 차지 펌프 ①

스위칭 레귤레이터는 동작 조건에 따라서 최대 98%에 이르는 변환 효율을 달성할 수 있고 크기, 출력 유연성, 효율 면에서 유리하다는 점으로 인해 많은 전원 변환 애플리케이션에서 널리 사용되고 있다. 반면 스위칭 레귤레이터는 다른 파라미터들을 악화시키는 면이 있는데 그 중에서 가장 어려운 것이 잡음이다.

그렇다면 스위칭 레귤레이터의 ‘잡음’은 무엇을 말하는 것인가? 이것을 더 잘 이해하기 위해서는 먼저 스위치드 모드 전원장치는 광대역 고조파 에너지를 발생시킨다는 점을 알아야 한다.

이 불요 에너지는 복사와 전도의 두 가지 성분으로 나타나는데 이것들을 업계에서는 통상 ‘잡음’이라고 한다. 하지만 엄밀히 말하면 이것은 잘못 쓰이고 있는 용어이며 스위칭 레귤레이터의 출력 ‘잡음’은 실제로는 레귤레이터의 스위칭과 직접적으로 연관성이 있는 응집성 있는 고주파 잔류 성분이다.

이 현상에 대한 정확한 용어는 전자기 방사(electromagnetic radiation)이며 흔히 EMI라고 한다. 그리고 이것은 복사와 전도의 두 가지 형태로 일어난다.

많은 애플리케이션에서 성능을 극대화하기 위해서는 조용하고 잘 레귤레이트 된 전원을 필요로 하고 이러한 변환 과정에서 발생되는 잡음을 완화하는 것이 중요하게 요구된다. 이를 달성할 수 있는 가장 확실한 방법은 선형 레귤레이터를 사용하는 것이다.

선형 레귤레이터는 조용한 전원 레일을 제공하지만 높은 스텝다운 비율일 때 변환 효율이 떨어진다. 이처럼 효율이 떨어진다는 것은 높은 출력 전류를 사용하는 애플리케이션에서 열 문제를 일으킬 수 있다는 의미가 된다.

스위칭 레귤레이터는 선형 레귤레이터에 비해 대체로 변환 효율이 더 우수하므로 최종 애플리케이션으로 높은 출력 전류를 필요로 할 때 열 디자인을 단순하게 할 수 있다. 어떤 전원장치에서나 성공적인 디자인을 설계하기 위해서는 소자 부품의 선택과 회로 보드 레이아웃이 중요한 역할을 한다는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 선택은 EMI와 열 동작을 결정할 수 있게 한다.

전원장치 레이아웃은 설계 작업의 조기 단계에서부터 고려돼야 할 기본적인 설계 측면인데도 흔히들 이를 간과한다. 어느 경우에든 기능적인 EMI 요구를 충족해야 하므로 전원장치의 기능적 안정성에 좋은 것이면 EMI 방사에도 좋은 것이 일반적이다.

뿐만 아니라 조기 단계에서부터 적절한 레이아웃을 고려한다면 나중에 추가적인 비용이 들어가는 것을 피할 수 있으며 EMI 필터, 기구를 통한 차폐, EMI 테스트 시간, 반복적인 보드 수정의 필요성을 없앨 수 있으므로 그에 따른 비용을 절감할 수 있다.

또 다중의 레일을 제공해야 하거나 전류 공유를 해서 더 높은 출력 전력을 제공하고자 하는 디자인에서는 다중의 DC/DC 스위치 모드 레귤레이터를 사용할 수 있는데 그러면 잡음으로 인한 간섭 문제의 가능성이 심화될 수 있다. 또 모든 레귤레이터가 비슷한 주파수로 동작(스위칭)하면 회로 내의 다중의 레귤레이터들이 발생시키는 결합적인 에너지가 하나의 주파수로 집중될 수 있고 이러한 에너지의 존재는 문제로 이어지게 된다.

특히 PCB 상에서 가깝게 탑재돼 있는 나머지 IC들이나 가깝게 설치되어 있는 시스템 보드가 복사 에너지에 민감할 때는 더 문제가 될 수 있다. 또 산업용이나 자동차 시스템에서도 마찬가지다.

그 이유는 이들 시스템은 부품들이 고밀하게 탑재돼 있고 기계식 인덕티브 부하, PWM 구동 전력 출력, 마이크로프로세서 클록, 접촉 스위칭 같은 전기 잡음 발생 요인들과 가깝게 인접해있기 때문이다. 또 각기 다른 주파수로 스위칭 할 때는 혼변조 성분이 민감한 주파수 대역으로 유입될 수 있다.

스위칭 레귤레이터 방사

산업용, 의료용, 자동차 환경의 낮은 열 발생과 효율이 중요하게 요구되는 곳에서는 선형 레귤레이터 대신 스위칭 레귤레이터를 사용하고 있다. 스위칭 레귤레이터는 통상적으로 입력 전원 버스 라인 상에서 첫 번째로 동작하는 장치이므로 전체적인 제품 디자인의 EMI 성능에 중대한 영향을 미친다.

예컨대 전도 방사(conducted emission)는 제품을 이루고 있는 와이어와 트레이스를 타고 전달된다. 이 잡음은 디자인 내의 특정한 단자나 커넥터에 한해서 국소적이므로 전도 방사에 대한 요구를 충족하는 것은 개발 작업의 비교적 조기 단계에서 적절한 레이아웃이나 필터를 사용해서 할 수 있다.

하지만 복사 방사(radiated emission)는 전혀 다른 문제다. 보드 상에서 전류를 운반하는 모든 것은 전자기장을 방사하고 보드 상의 모든 배선들이 안테나가 될 수 있으며 모든 구리 평면은 공진기가 될 수 있다.

따라서 순수한 사인파나 DC 전압을 제외하고 모든 것이 신호 스펙트럼 전체에 걸쳐서 잡음을 발생시킨다. 전원장치 디자이너가 아무리 신중하게 설계를 한다고 하더라도 시스템을 테스트하기 전까지는 복사 방사가 얼마나 심각하게 될지 알 수 없다. 또 복사 방사 테스트는 디자인을 기본적으로 완성할 때까지는 실시가 불가능 하다.

EMI를 낮추기 위해서 흔히 필터를 사용한다. 필터를 사용함으로써 특정 주파수에 대해서 또는 전체적인 주파수 범위에 걸쳐서 강도를 감쇠시킬 수 있다. 이러한 에너지 중에서 공간으로 전달되는(복사) 것은 금속 또는 자기 차폐를 사용해서 감쇠 시킬 수 있고 PCB 배선을 타고 전달되는(전도) 것은 페라이트 비드나 여타 필터를 사용해서 약화시킬 수 있다.

EMI는 완전히 제거하는 것은 불가능하며 다른 통신, 신호 프로세싱, 디지털 장치가 허용할 수 있는 수준으로 감쇠시킬 수는 있다. 또 많은 정부 기관에서 산업용 및 자동차용 시스템으로 특정한 요건을 충족하도록 규정하고 있다.

표면실장 기술을 사용한 첨단 입력 필터 부품들은 쓰루홀 부품보다 성능이 더 우수하다. 하지만 이러한 향상에도 불구하고 오늘날 고주파 스위칭 레귤레이터의 갈수록 높아지는 요구를 따라잡기에는 역부족이다.

갈수록 더 높은 동작 주파수로 최소 온·오프 시간을 요구하는 것은 더 빠른 스위칭 전이에 의해서 더 높은 고조파 성분을 발생시키고 이로 인해 복사 잡음을 증가시킨다. 하지만 또 갈수록 더 높은 변환 효율을 달성하기 위해서는 이와 같은 높은 스위치 에지 레이트가 필요하다.

반면 스위치드 커패시터 차지 펌프는 이와 같은 동작을 나타내지 않는다. 스위치드 커패시터 차지 펌프는 훨씬 더 낮은 스위칭 주파수로 동작하고 효율을 떨어트리지 않으면서 더 느린 스위칭 전이를 허용할 수 있기 때문이다.

현명한 PCB 디자이너라면 되도록 핫 루프를 작게 하고 동적 층에 가깝게 차폐 접지 층을 사용할 것이다. 디바이스 핀아웃, 패키지 구조, 열 요구, 디커플링 소자로 적절한 에너지 저장과 필요한 패키지 크기와 관련해서는 핫 루프 크기를 최소화해야 한다.

더불어 통상적인 평면 PCB에서 30메가헤르츠(MHz) 이상에 이르면 배선들 사이의 자기 또는 트랜스포머 식의 결합이 필터를 사용할 때의 효과를 감소시키는 점은 문제를 더 복잡하게 한다. 이는 조파 주파수가 높을수록 원치 않는 자기 결합이 강해지기 때문이다.

EMI 문제를 해결하기 위한 솔루션

EMI 문제를 해결하는 경험적인 솔루션은 전체 회로에 대해서 차폐 박스를 사용하는 것이다. 단, 박스 내부의 민감한 회로로의 결합까지는 방지하지 못한다. 이렇게 하기 위해서는 추가적인 비용을 필요로 하고 필요한 보드 공간을 늘리고 열 관리와 테스트를 어렵게 만들고 추가적인 어셈블리 비용을 발생시킨다.

또 다른 널리 사용되는 방법은 스위칭 에지를 느리게 하는 것이다. 하지만 이 방법은 효율을 떨어트릴 뿐 아니라 최소 온 및 오프 시간과 그에 따른 데드 타임을 증가시키고 가능한 전류 제어 루프 속도를 떨어트리는 결과를 가져온다.

몇 년 전에 리니어는 LT8614 사이렌트 스위처(Silent Switcher) 레귤레이터를 출시했다. 이 디바이스는 차폐 박스를 사용하지 않고서도 차폐 박스를 사용한 효과를 제공하며 위에서 언급한 많은 단점들을 제거한다. 하지만 잡음이 중요한 애플리케이션에서는 전원장치 디자이너가 EMI 방사 때문에 인덕터 기반 레귤레이터를 사용하기를 꺼릴 수 있다.

또 선형 레귤레이터(LDO라고도 함)는 비교 변환 효율이 낮고 히트 싱크를 필요로 한다는 점에서 선호하지 않을 수 있다. 이럴 때 통상적으로 사용되는 대안은 바로 차지 펌프(charge pump)라고 하는 것이다.

차지 펌프는 수십 년 전부터 사용돼 왔으며, 스위치 네트워크를 사용해서 2개 이상의 커패시터를 충전 및 방전하는 것으로 DC/DC 전압 변환을 제공한다. 기본적인 차지 펌프 스위치 네트워크는 커패시터의 충전과 방전을 번갈아 가면서 한다.

[그림1]에서 보는 것과 같이 C1 ‘플라잉 커패시터’는 전하를 운반하고 C2 ‘저장 커패시터’는 전하를 홀드하고 출력 전압을 필터링한다. 따라서 추가적인 ‘플라잉 커패시터’와 ‘스위치 어레이’를 사용해서 다중의 이득이 가능하다.

스위치 S1과 S3이 온(닫힘)이고 스위치 S2와 S4가 오프면 입력 전원이 C1을 충전한다. 그 다음 사이클에는 S1과 S3은 오프이고 S2와 S4는 온이 돼서 전하가 C2로 전달되고 VOUT = - (V+)를 발생시킨다.

그런데 최근까지만 하더라도 차지 펌프는 입력 및 출력 전압 범위가 제한적이라서 40볼트(V) 또는 60V에 이르는 입력이 일반적인 산업용 및 자동차 애플리케이션에 사용하기에 어려움이 있었다. 하지만 이제 리니어로부터 고전압 차지 펌프가 출시됨으로써 달라지게 됐다.

- 2편 계속

<글 : 토니 암스트롱(Tony Armstrong)  리니어 전력제품 부문 마케팅 디렉터 >
<자료제공 : 리니어테크놀로지(www.linear.com)>