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RF 기술이나 계측 장비처럼, 노이즈가 극히 적은 전원 공급을 필요로 하는 애플리케이션들이 많이 있다. 이 글에서는 민감한 부하에 초저노이즈의 전원을 공급하기 위해 기존에 활용하던 설계 방식과 새로운 통합 설계 방식에 대해 설명한다. 새로운 기술은 보다 콤팩트한 설계와 향상된 사용 편의성을 제공한다.

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

RF 기술을 비롯한 여러 애플리케이션에서는 노이즈가 극도로 적은 전원 공급을 필요로 한다. 위상 고정 루프(PLL), 전압 제어 발진기(VCO), 높은 분해능의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 같이 간섭에 취약한 회로는 노이즈가 적은 전원을 요구한다. 전원 라인에 발생하는 작은 간섭도 애플리케이션 신호에 영향을 줄 수 있다. 매우 깨끗한 전압을 생성하기 위해, 그림 1과 같은 전원 구성 방식이 일반적으로 사용된다.

그림 1. 고효율 스위칭 레귤레이터와 후단 리니어 레귤레이터로 구성된 전압 컨버터

스위칭 레귤레이터는 24V와 같은 높은 입력 전압을 3.5V와 같은 더 낮은 전압으로 변환한다. 이 전압은 출력에서 매우 낮은 노이즈의 3.3V를 생성하는 초저노이즈 선형 레귤레이터에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있다. 이 리니어 레귤레이터 자체는 약 0.8μV rms 수준의 매우 낮은 노이즈와 1MHz에서 76dB에 달하는 매우 높은 PSRR(power supply rejection ratio) 성능을 갖는다. 이러한 구성은 스위칭 레귤레이터에서 발생하는 전압 리플을 효과적으로 줄여준다. 그림 1의 설계는 초저노이즈 전압을 생성하기 위해 사용되는 통상적인 솔루션을 예시한 것이다.

최적화 가능성

다단 구성의 디스크리트 설계는 구현하기가 쉽지 않다. 스위칭 레귤레이터는 최적화된 PCB 레이아웃으로 배치되어야 한다. 그렇지 않으면 스위칭 레귤레이터의 빠른 스위칭 과도 응답이 추가적인 간섭 성분으로 출력 전압에 결합될 수 있다. 이를 방지하려면 리니어 레귤레이터를 스위칭 레귤레이터와 충분히 떨어진 위치에 배치해야 한다. 그 결과, 전체 전원 공급 회로는 상당한 공간을 필요로 하게 된다. 이러한 애플리케이션을 위해 스위칭 레귤레이터와 리니어 레귤레이터를 하나로 통합하려는 시도는 스위칭 노이즈가 최종 출력 전압에 결합되기 때문에 성공하기 어렵다. 하지만 이 문제를 해결할 수 있는 솔루션이 있다.

그림 2. 최소한의 공간에서 최소 노이즈 전압을 생성하는 고도로 통합된 µModule 레귤레이터

솔루션

노이즈에 민감한 애플리케이션을 위한 스위칭 레귤레이터와 리니어 레귤레이터의 통합은 적절한 설계를 통해 구현할 수 있다. 아나로그디바이스(ADI)의 µModule 제품군에 속하는 LTM8080은 스위칭 레귤레이터와 통합된 리니어 레귤레이터 사이에 내부 전자기(EMI) 차폐 구조를 제공한다. 이 빌트인 차폐막은 스위칭 레귤레이터에서 발생하는 빠르게 스위칭하는 전류로부터 비롯된 EMI를 흡수한다. 이를 통해 매우 콤팩트한 설계에서도 깨끗하고 정확하게 조정된 공급 전압을 얻을 수 있다. 

LTM8080은 서로 다른 두 가지 전압을 동시에 생성할 수 있으며, 9 mm × 6.25 mm 패키지로 제공된다. 이 제품은 인덕터를 포함한 스위칭 레귤레이터와 두 개의 초저노이즈 리니어 레귤레이터를 모두 내장하고 있다.

그림 3. 서로 다른 출력 전류에 대한 노이즈 밀도

그림 3은 서로 다른 출력 전류에 대한 노이즈 밀도를 보여준다. LTM8080은 10Hz ~ 100kHz 범위에서 1μV rms 이하의 노이즈 값을 달성할 수 있다. 참고로, 전압 조절이 없는 리튬이온 배터리 전압의 일반적인 노이즈 값은 동일한 주파수 범위에서 약 2.7 μV rms 수준이다. 따라서 그림 2에 제시된 전압 컨버터는 배터리 전압보다도 더 낮은 노이즈 특성을 갖는다.

결론

이 솔루션을 사용하면 회로 설계가 매우 단순해지고, 스위칭 레귤레이터 설계나 복잡한 PCB 레이아웃에 대한 전문적인 지식도 필요치 않다. µModule 레귤레이터의 정교한 설계는 높은 통합 수준과 매우 콤팩트한 크기가 특징인 초저노이즈 전원 공급을 가능하게 한다.

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전원 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학교에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전원 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전원 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.