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글/ 게리보콕(Gary Bocock), XPPOWER 기술이사

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고감도 이미징은 휴대폰에서 천문학에 이르기까지 많은 상업적 또는 전문 애플리케이션의 기반이 된다. 때때로 신호가 배경 잡음 수준을 약간 상회하는 경우 관련 전자 장치의 전원 레일을 생성하는 고전압 DC-DC 컨버터는 효과적으로 노이즈를 제거해야 한다. 이 글에서는 이러한 문제점을 살펴보고 몇 가지 해결 방법을 제시하고자 한다.

대부분 어두운 곳에서 잔잔한 이미지를 만들어 내는 휴대폰으로 인해 배경의 전기 잡음에서 가능한 많은 광자를 포착하기 위해 신호 체인의 이득을 끌어내는 등 낮은 조명 조건에서 이미지를 기록하는 어려움에 익숙할 것이다.

휴대폰 카메라의 센서는 일반적으로 구형 CCD 기술을 사용하는 CMOS 유형이지만, 애벌런치 광다이오드(APD), 마이크로채널 플레이트(MCP) 및 광전자 증배관(PMT)을 사용하는 특수 감지기가 가장 까다로운 전문 애플리케이션에 사용된다.

여기에는 방사선 검출, 분광기, 레이저 범위 탐색기, 야간 시력, 혈액 분석기, 양전자 방출 단층 촬영, 장거리 광섬유 통신, 입자 물리학 및 천문학 등이 포함된다.

이미지 센서는 빛의 입사 광자에 비례하는 숫자로 전자가 감광 표면에서 해방되는 광전 효과를 사용한다. 전자는 전류로 변화되고, 신호는 증폭된 다음 이후 처리를 위해 D-A 컨버터를 통과한다. 센서의 양자 효율은 이제 좋은 확률로 단일 광자를 등록하여 단일 전자를 생성할 수 있는 수준이 되고, 이를 활용하기 위해서는 전자 신호 체인과 파워 레일의 외부 노이즈가 매우 낮아야 한다.

센서는 일반적으로 음전압(일반적으로 100~6kV)으로 바이어스되며, 최적의 영상 성능을 위해 안정성이 높고 노이즈가 낮아야 한다.

센서에는 낮은 EMI 소스의 바이어스 전압이 필요하다

EMI는 PMT의 특별한 문제로 전자 경로를 왜곡하고 검출기의 성능 저하를 초래할 수 있다. 방사된 EMI는 다른 검출기 유형에도 직접 또는 간접적으로 영향을 미칠 수 있으며, 내부 고주파 스위칭 파형과 함께 일반적으로 사용되는 고전압 DC-DC 전원 컨버터에 의해 문제가 악화된다. 애플리케이션의 일반적인 소형 고전압 DC-DC 컨버터는 그림 1에 나와 있다.

그림 1: 낮은 리플, 노이즈 및 EMI를 특징으로 하는 민감한 영상 애플리케이션을 위한 고전압 DC-DC 컨버터의 예. 차폐된 내부 변압기와 도금된 강철 하우징은 추가로 낮은 수준의 전자파 방사선을 달성한다.

변환기는 일반적으로 고주파(수백 kHz)로 스위칭되는 5V, 12V 또는 24VDC 입력으로 작동한다. 결과 파형은 변압기를 통해 전달되어 전압을 증가시킨 다음 승수 단계를 거쳐 수정 및 필터링되어 고전압 DC를 생성한다. 입력 스위칭 회로에 대한 피드백은 스위칭 파형의 펄스 폭 및 주파수 변조를 통해 출력 전압을 설정 및 안정화한다. 그림 2는 일반적인 배열을 보여준다.

그림 2: DC-DC 컨버터를 통해 고전압이 발생할 수 있다.

고전압 DC-DC 컨버터는 상당한 소음을 발생시킬 수 있다

DC-DC 컨버터의 설계에는 EMI를 줄이기 위한 입/출력 필터링 및 차폐가 포함될 수 있지만, 민감한 이미징 애플리케이션에서는 기본적으로 노이즈가 낮은 회로 토폴로지를 사용하는 것이 좋다. 스위치 모드 DC-DC 컨버터는 전압을 증가시키는 유일한 옵션이며, 기존의 설계 방식은 '하드 스위칭'으로, 전력 반도체가 고주파에서 가능한 한 빠르게 온 오프 동작을 한다.

이는 효율성이 뛰어난 단순한 배열일 수 있지만, 에지 속도가 높은 파형에는 억제 및 차폐가 어려울 수 있는 잠재적인 EMI 문제와 조화성이 풍부하게 포함되어 있다. 센서 애플리케이션에 존재하는 고전압은 진폭뿐만 아니라 큰 절연 공간이 필요하기 때문에 상황을 악화시켜 누설 인덕턴스와 같은 기생 효과를 증가시킨다.

이렇게 하면 전압 스파이크와 급변하는 전류로부터 복사된 EMI가 직접 생성된다. 또한 고전압 변압기의 턴수가 높을 수밖에 없으며, 이는 과도한 권선 자체 정전용량을 초래하여 강력한 공명을 일으켜 큰 전압 오버슈트와 함께 진동을 유발한다.

구성 요소 응력이 관리되어야 하며 공명 주파수에서 출력 노이즈의 스파이크는 특히 감쇠하기 어려울 수 있다.

공진 변환기 토폴로지는 소음을 최소화한다

모든 문제가 있는 하드 스위치 방식의 대안은 '공진' 변환기를 사용하는 것이다. 사용할 수 있는 변형은 다양하지만, 기생 요소가 설계에 의해 능동적으로 제어되고 스위칭 작동의 동력 전달 단계에서 의도적으로 반향 하는 네트워크의 일부를 형성한다는 공통적인 특징을 가지고 있다. 이제 파형은 효율성 이점뿐만 아니라 EMI를 최소화하는 사각형이 아닌 사인형이 된다.

전력 반도체는 토폴로지에 따라 '영 전압' 또는 '영 전류' 소프트 스위칭과 함께 작동하여 동적 손실을 최소화한다. 토폴로지를 사용하는 제품의 예는 고압 DC-DC 컨버터의 XP POWER 제품에서 볼 수 있으며, 또한 효과적인 차폐를 위한 아연 도금 강철 하우징이 있다. 이와 관련하여 일반적으로 사용되는 다른 재료는 성능이 매우 떨어진다. 구리, 황동 및 알루미늄과 같은 플라스틱 및 비철 재료는 '자유 공간'에 가까운 자기 투과성 또는 자기 선별을 제공하지 않는 상대적으로 투과성이 있는 반면, 강철은 2000년 경의 상대 투과성이 효과적인 자기 장벽을 형성한다. 강철의 도금은 부식을 방지하고 접지 목적으로 납땜 연결을 가능하게 한다.

저소음 토폴로지를 사용하여 잘 설계된 고전압 변환기와 내외부적으로 종합적인 차폐가 민감한 영상 애플리케이션에 적합할 수 있다.

저전력에서는 이와 같은 소형 변환기를 영상 센서 근처에 배치하여 최적 조절 및 우수한 EMI 성능을 유지하기 위한 연결 단위가 될 수 있다. 또한 안전 문제를 위해 고전압 케이블은 최소로 유지할 수 있다. 또한 센서에 근접하게 컨버터를 장착할 경우 높은 효율이 장점이다. 초민감 이미지 센서는 열 노이즈를 최소화하려면 냉각해야 하므로 인접한 전자 장치는 가능한 한 전력을 적게 소모해야 한다.

상용 고전압 DC-DC 컨버터 모듈은 비용 효율적이다

시중에서 판매되는 고전압 DC-DC 컨버터는 원격 프로그래밍 및 모니터링과 같은 전체 시스템 제어에 쉽게 통합할 수 있는 기능도 포함할 수 있다. 이러한 모듈형 솔루션은 낮은 EMI와 함께 부하, 라인 및 온도 변화에 대한 정확한 출력 제어를 제공하는 데 의존할 수 있다.

개별 솔루션과 비교하여 상용 모듈은 즉시 사용할 수 있고, 안전성이 인증되었으며, 흔히 공통 PCB 장착 설치 공간에 있어 모델 간 상호 교환이 가능하다. 전반적으로 신뢰할 수 있는 공급업체의 검증된 실적이 있는 모듈은 개발 시간, 비용 및 위험을 절감할 수 있다.

외부 연결은 최적의 성능을 위한 핵심이다

노이즈가 없는 전원 라인은 중요한 이미징 애플리케이션의 사전 요구 사항이지만 외부 전원 연결 시 피해야 할 함정이 있다. 영상촬영 시스템의 고성능 신호 증폭기는 최상의 성능을 위해 특수한 부분 접지 및 차폐 장치를 갖추고 있으므로 전원 접지로부터 조심스럽게 분리해야 한다.

고전압 DC-DC 컨버터에 대한 입력, 출력, 저전압 제어 및 모니터링 및 영상 신호에는 별도의 접지 복귀 경로가 있다. 이러한 구성 요소는 분리해야 하며, 공통 연결은 상호 작용을 방지하기 위해 '스타 접지' 기법으로 형성되어야 한다. 그림 3은 일반적인 모듈식 컨버터를 사용하여 이러한 목표를 달성하는 방법을 보여준다.

그림 3: 접지의 '스타' 연결을 통해 상호 작용을 방지한다.

모듈식 고전압 DC-DC 컨버터를 통해 최적의 센서 성능을 제공한다

이미징 신호를 한 자리 전자 카운트 단위로 측정할 경우 배경 잡음이 문제가 된다. 전자 장치에는 전력이 필요하며, 애플리케이션을 위한 고전압을 생성하는데 필요한 특수 변환기가 EMI의 원천이 될 수 있다.

그러나 종합적인 선별, 필터링 및 외부 연결의 세심한 분리와 결합된 우수한 저소음 변환기 설계 기법은 최적의 검출기 성능을 산출할 수 있다. XP Power의 올바른 사양을 갖춘 구성 요소 수준의 PC 보드 장착 고전압 DC-DC 컨버터를 사용할 수 있으며, 경쟁력 있는 비용으로 신속하게 프로토타이핑 및 후속 대량생산에 적용할 수 있다.