스위칭 레귤레이터 토폴로지별 잡음 수준 이해하기2021-10-18
글: 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
스위칭 레귤레이터 토폴로지는 다양하다. 가장 널리 사용되는 것은 전통적인 스텝다운 컨버터로서 벅 컨버터라고도 한다. 제타 토폴로지처럼 잘 알려지지 않은 스위치 모드 DC/DC 컨버터도 있다. 기본형 토폴로지와 확장형 토폴로지로 구분할 수도 있다. 기본형 토폴로지는 2개의 스위치와 1개의 인덕터, 2개의 커패시터만을 사용한다. 이것들은 비절연 스위칭 레귤레이터이다. 다시 말해 전기적으로 절연되지 않은 스위칭 레귤레이터이다. 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 인버팅 벅-부스트 토폴로지가 이 범주에 속한다. 그 밖의 모든 토폴로지는 추가적인 부품들을 필요로 한다. 예를 들어서 SEPIC 컨버터는 커플링 커패시터와 이차적 인덕터를 필요로 한다. 비절연형 스위칭 레귤레이터와 달리, 트랜스포머를 사용해서 갈바닉 절연을 하는 레귤레이터들도 있다.
회로 설계 엔지니들은 전원장치를 블랙박스 혹은 4극 소자로 표현하기도 한다. 이는 각각 2개씩의 입력 라인과 출력 라인을 갖는다. 그림 1은 DC/DC 컨버터의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 위는 갈바닉 절연을 하지 않은 DC/DC 컨버터이고, 아래는 갈바닉 절연을 한 컨버터이다.
그림 1: 스위치 모드 전원장치를 블랙 박스로 표현
이 그림에서 단자들과 관련한 잡음 정보는 알 수 없다. 스위칭 레귤레이터 토폴로지마다 2포트 네트워크 단자들의 동작이 다르다. 그림 2는 산업용 애플리케이션을 위한 범용 스텝다운 컨버터로서 아나로그디바이스(ADI)의
ADP2441을 나타낸다. 이 컨버터는 24V 입력을 3.3V 출력으로 변환한다. 이 토폴로지는 입력단에서 펄스형 전류를 발생하므로 잡음이 매우 심하다. ADP2441의 하이 사이드 스위치가 온(on) 상태가 되면 단자 A로 전류가 흐른다. 이 스위치가 오프(off)가 되면 노드 A를 통해서 전류가 흐르지 않는다. 그런데 출력측 C로는 잡음이 거의 없다. 출력 경로 상의 인덕터가 출력단에 펄스형 전류가 발생되지 않도록 하기 때문이다.
그림 2: 스위칭 레귤레이터 토폴로지의 사례
표 1은 시스템 설계 엔지니어들이 스위칭 레귤레이터의 기본적인 동작을 이해할 수 있도록 돕기 위한 것이다. 이 표에는 널리 사용되고 있는 주요 스위칭 레귤레이터 토폴로지들이 정리되어 있다. 첫 번째 줄에서는 입력단에서 잡음 수준이 높은지 낮은지를 보여준다. 다시 말해 2포트 네트워크의 A 단자와 B 단자에서 잡음 수준을 나타낸다. 두 번째 줄에서는 출력단에서의 잡음 수준이 높은지 낮은지, 즉 2포트 네트워크의 C 단자와 D 단자에서의 잡음 수준을 나타낸다.
표 1: 일반적인 스위칭 레귤레이터 토폴로지들과, 각 토폴로지별 입력 및 출력에서의 잡음 수준
| |
벅 |
부스트 |
인버팅
벅-부스트 |
플라이백 |
SEPIC |
Cuk |
4-스위치
벅-부스트 |
| 입력단 잡음 |
높음 |
낮음 |
높음 |
높음 |
낮음 |
낮음 |
높음 |
| 출력단 잡음 |
낮음 |
높음 |
높음 |
높음 |
높음 |
낮음 |
높음 |
스위칭 레귤레이터 회로에서의 전도 잡음은 예를 들면 별도의 LC 필터 같은 추가적인 필터링을 통해 크게 낮출 수 있다. 이 방법으로 표 1에 나타난 취약점들을 극복할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 시스템 설계 엔지니어들은 어떤 DC/DC 컨버터가 어느 단자에서 특히 잡음이 높은지 이해해야 한다. 그래야 설계 단계에서 미리 적합한 필터를 구상하고 거기에 필요한 공간을 확보할 수 있기 때문이다.
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저자 소개프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일 뉘른베르크 에를랑겐 대학에서 미세전자공학을 전공했다. 2001년 전력 관리 사업부에서 경력을 시작했으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 스위치 모드 전원 공급장치를 담당하는 등 다양한 애플리케이션 직책을 맡았다. 2009년 아나로그디바이스에 입사하여 뮌헨 소재 아나로그디바이스에서 전력 관리를 위한 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 근무하고 있다. 문의:
frederik.dostal@analog.com.
