스위치 모드 전원장치 보드 레이아웃의 기본 원칙

2022년 09월 16일

글 / 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) 전원 관리 전문가, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

이 글에서는 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)를 설계할 때 최적화된 보드 레이아웃을 달성하기 위한 기본적인 원칙들을 설명한다. 잘 설계된 레이아웃은 스위칭 레귤레이터가 안정적으로 작동하도록 할 뿐만 아니라 복사 간섭과 전도 간섭(EMI)을 최소화한다. 스위치 모드 전원장치 설계에서 최적화된 보드 레이아웃을 달성하려면 어떻게 해야 할지 알아본다.

그림 1. 부품들이 빽빽하게 탑재된 LT8640S 스위칭 레귤레이터 보드로서, 컴팩트한 보드 레이아웃을 볼 수 있다.

그림 1은 LT8640S 평가 보드를 보여준다. LT8640S는 스텝다운(벅) 스위칭 레귤레이터로서, 최대 42V의 입력 전압과 최대 6A의 출력 전류가 가능하다. 보드 상에 모든 부품들이 매우 빽빽하게 탑재되었다는 것을 알 수 있다. 일반적으로 보드 상에는 부품들을 되도록 밀집되게 탑재하도록 권장하는 편이다. 하지만 설계 목표가 최적화된 보드 레이아웃을 달성하는 것이라면 꼭 그럴 필요는 없다. 그림 1에서는 11개의 수동 소자들이 스위칭 레귤레이터 IC를 둘러싸고 있다.

그렇다면 이들 수동 소자들 중에서 어떤 것들이 부품 배치에 있어서 우선적이며, 그 이유는 무엇일까?

스위칭 레귤레이터 PCB 설계에서 가장 중요한 원칙은 높은 스위칭 전류를 전달하는 트레이스들을 되도록 짧게 하는 것이다. 이 원칙만 충실히 지키더라도 스위칭 레귤레이터 보드 레이아웃을 훨씬 더 수월하게 최적화할 수 있다.

그림 2: 스텝다운 스위칭 레귤레이터 회로에서 전류가 빠르게 변화하는 경로들을 빨간색으로 표시한 모습.

보드 레이아웃에서 이 기본 원칙에 충실하려면 어떻게 해야 할까? 가장 먼저 할 일은, 스위칭 레귤레이터 토폴로지에서 어떤 경로들이 중요한지를 파악하는 것이다. 이들 경로는 스위치 전이에 따라서 전류 흐름이 빠르게 변화하는 것들이다. 그림 2는 통상적인 스텝다운 컨버터(벅 토폴로지) 회로를 보여준다. 빨간색으로 표시된 것이 중요한 경로이다. 이들 경로에서는 전력 스위치 상태에 따라 전류가 최대치로 흐르거나 전혀 흐르지 않는다. 이들 경로는 되도록 짧게 해야 한다. 벅 컨버터의 경우, 입력 커패시터를 스위칭 레귤레이터 IC의 VIN 핀과 GND에 되도록 가깝게 배치해야 한다.

그림 3: 스텝업 스위칭 레귤레이터 회로에서 전류가 빠르게 변화하는 경로들을 빨간색으로 표시한 모습.

그림 3은 부스트 토폴로지의 기본적인 회로도를 보여준다. 부스트 토폴로지는 낮은 전압을 더 높은 전압으로 변환한다. 여기서도 역시 전력 스위치의 스위칭에 따라서 전류 흐름이 빠르게 변화하는 전류 경로를 빨간색으로 표시하고 있다. 부스트 회로의 경우, 입력 커패시터 위치가 그리 중요하지 않다. 중요한 것은 출력 커패시터의 위치이다. 출력 커패시터를 플라이백 다이오드(또는 상측 스위치)뿐만 아니라 하측 스위치 접지 배선에 되도록 가깝게 배치해야 한다.

그 밖의 스위칭 레귤레이터 토폴로지에서는 전력 스위치가 스위칭할 때 전류 흐름이 변화하는 것을 어떻게 파악할 수 있을까? 가장 고전적인 방법은 회로도를 인쇄해서 서로 다른 세 가지 색깔의 펜을 이용해 전류 흐름을 표시하는 것이다. 먼저 첫 번째 색깔로는 온(on)일 때 전류 흐름을 표시한다. 다시 말해 전력 스위치가 전류를 전도할 때이다. 두 번째 색깔로는 오프(off)일 때 전류 흐름을 표시한다. 즉, 전력 스위치가 오프일 때이다. 세 번째 색깔을 사용해서는 첫 번째 색깔로만 표시되거나 두 번째 색깔로만 표시된 모든 경로들을 표시한다. 그렇게 하면 전력 스위치의 스위칭에 따라서 전류 흐름이 변화하는 중요 경로들을 한 눈에 파악할 수 있다.

회로 설계 초보자에게는 스위칭 레귤레이터 보드 레이아웃이 블랙 매직처럼 여겨질 수도 있다. 가장 기본적인 원칙은 스위치 전이에 따라서 전류 흐름이 변화하는 트레이스들을 되도록 짧고 컴팩트하게 설계하는 것이다. 이 기본 원칙을 충실히 따른다면 스위치 모드 전원장치 설계에 최적화된 보드 레이아웃을 달성할 수 있다.

저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전원 관리 전문가로서 이 분야에서 20년 넘게 종사해 왔다. 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해 FAE로서 고객 프로젝트로 전원 관리 솔루션 구현에 있어서 풍부한 경험을 쌓았으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원장치를 담당했다. 2009년에 아나로그디바이스에 입사했으며, 이후로 제품 라인 및 유럽 고객 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전원 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com