핫 루프(Hot Loop)란 무엇인가?

2023년 05월 16일

글/ 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) FAE, 아나로그디바이스(Analog Devices)

스위칭 레귤레이터와 해당 전자기 적합성(EMC)이 언급될 때면 흔히 ‘핫 루프(Hot Loop)’라는 용어가 등장하곤 한다. 핫 루프는 PCB 상에 배선을 최적화하는 것과 관련해서 특히 중요하다. 하지만 핫 루프란 정확히 무엇을 말하는 것일까?

스위칭 레귤레이터에서 전류는 계속해서 스위칭된다. 대체로 이들 전류는 비교적 높은 수준이다. 전류가 흐르면 자기장이 생성된다. 높은 전류를 빠르게 스위칭하면 교류 자기장이 생성된다. 또한 특정한 기생 트레이스 인덕턴스를 통해서 전류가 스위칭될 때 전압 오프셋이 발생한다. 이 전류는 용량성으로 인접한 회로 부품들과 결합하여 전원장치의 잡음 방사를 증가시킨다. 요컨대, 스위칭 모드 전원공급장치(SMPS)에서 잡음의 원인이 되는 주된 요인이 전류 스위칭이라고 할 수 있다. 그림 1은 간단한 벅 컨버터 토폴로지를 보여준다. 연속적으로 전류를 전달하는 라인들은 파란색으로 표시하고, 전류를 빠르게 스위칭하는 라인들은 빨간색으로 표시하고 있다.

그림 1: 연속적으로 전류를 전달하는 경로들은 파란색으로, 전류를 스위칭하는 경로들은 빨간색으로 표시하고 있다.

그림 1에서 주목해야 할 경로는 빨간색 경로들이다. 이들 경로는 전류 폐회로처럼 보이기 때문에 루프라고 불린다. 핫 루프라고 하는 것은, 이 루프가 빠르게 스위칭하는 전류들을 다루므로 특별히 중요하다는 뜻이다. 이 루프를 좀더 자세히 들여다보면, 그림 1의 빨간색 루프에서는 실제로는 전류가 전혀 흐르지 않는다는 것을 알 수 있다. 두 스위치가 동시에 닫히는 일이 없기 때문이다. 이는 특정 시간에는 전류가 흐르고 또 다른 시간에는 전류가 흐르지 않는 개별 라인들의 조합일 뿐이다. 그림 2에서는 개별 연결 라인들에 전류 흐름 방향을 나타내는 화살표가 추가되어 있다. 또한, 일정 기간 중 어느 시간에 전류가 흐르고, 흐르지 않는지를 나타내는 심볼들도 표기하고 있다.

표 1은 그림 2에서 각각의 빨간색 트레이스가 어느 시간에 전류를 전도하고 어느 시간에 전류를 전도하지 않는지 보여준다. 이 벅 레귤레이터 듀티 사이클의 온(on) 시간에는 상측 스위치가 온(on)이고 하측 스위치는 오프(off)이다. 따라서 전류는 입력 커패시터에서 상측 스위치로 흐르고, 하측 스위치로는 흐르지 않는다. 듀티 사이클의 오프(off) 시간에는 하측 스위치로 전류가 흐르고(접지에서 스위치 노드로), 다른 세 개의 빨간색 트레이스들로는 전류가 흐르지 않는다.

표 1: 벅 레귤레이터 듀티 사이클에 따른 상측 및 하측 스위치 상태

그림 2를 보면, 핫 루프는 하나의 독립적인 전류 루프가 아니고 단지 2개의 실제 전류 루프로 이루어진 하나의 가상의 전류 루프라는 것을 알 수 있다.

그림 2: 핫 루프에서 경로마다 전류 방향이 서로 다른 것을 알 수 있다.

그림 3은 이 회로의 토대를 이루는 실제 전류 루프들을 보여준다. 하나의 전류 루프는 파란색으로, 다른 하나는 녹색으로 표시되었다. 이들 온전한 전류 루프들 간에 스위칭이 일어나는데, 어떤 경로에서는 전류가 두 개의 전류 루프 모두 같은 방향으로 흘러서 전류들이 얹혀짐으로써 연속적인 전류를 형성하므로 EMC와 관한 한 문제가 되지 않는다. 이 트레이스들은 핫 루프라고 하지 않는다.

그림 3: 이 회로의 토대를 이루는 실제 전류 루프들을 보여준다.

스위칭 레귤레이터의 핫 루프는 스위칭 레귤레이터 토폴로지에 따라 다를 수 있다. 잡음 발생과 잡음 전파를 최소화하기 위해서는 핫 루프를 되도록 좁고 컴팩트하게 만들어야 한다. 아나로그디바이스(Analog Devices)의 사일런트 스위처2(Silent Switcher 2) 기술은 IC 패키지 내에 입력 커패시터를 통합함으로써 핫 루프를 되도록 작게 만든다. 뿐만 아니라 핫 루프를 두 개의 대칭 형태로 분할함으로써 극성이 반대인 두 개의 자기장이 생성되고, 방사되는 잡음이 상당 수준 상쇄된다. 이 기술을 적용한 스위칭 레귤레이터 제품으로 Power by Linear의 LT8609S를 들 수 있다.

저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일 뉘른베르크에 있는 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공했다. 2001년에 전원 관리 분야에서 경력을 시작했으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)와 관련한 업무를 맡은 것을 비롯해 다양한 애플리케이션 직책을 거쳤다. 아나로그디바이스(Analog Devices)에는 2009년에 입사했으며, 현재는 ADI 뮌헨 지사에서 전원관리 FAE로 재직 중이다. 문의: frederik.dostal@analog.com