스위칭 레귤레이터 동기화를 통한 잡음 저감

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

오늘날 대부분의 전자 회로는 여러 개의 공급 전압을 필요로 한다. 20년 전에는 범용 5V 공급 전압으로 TTL 로직과 그 밖에 다른 모든 것을 충분히 구동할 수 있었다. 하지만 오늘날에는 이를 테면 마이크로컨트롤러 입/출력에는 2.5V가 필요하고, 코어에는 0.9V가 필요하고, 센서에는 3.3V가 필요하다. 인터페이스에도 서로 다른 전압이 필요한데, 예컨대 USB에는 5V가 요구되는 식이다. 또한 에너지 효율을 극대화하기 위해, 오늘날에는 개별 DC-DC 변환 스테이지에 스위칭 레귤레이터들을 사용한다.

그림 1은 전력 변환 아키텍처를 예시한 것이다.

Figure 1. Various switching regulators on a 12 V supply rail. — 그림 1. 12V 전원 레일 상에 여러 스위칭 레귤레이터 사용

어떤 시스템에서 여러 스위칭 레귤레이터들이 서로 다른 스위칭 주파수로 동작하면 주파수 스펙트럼에서 각각의 기본 주파수(fundamental frequency) 및 그에 대한 고조파뿐만 아니라 여러 스위칭 레귤레이터들의 주파수 차이에 해당하는 비트 주파수(beat frequency)가 발생하는 것을 볼 수 있다.

그럼으로써 스위칭 레귤레이터 입력에서 복사 방사와 전도 방사가 일어나는데, 이 시스템 내의 여러 스위칭 레귤레이터들을 동기화하는 것으로써 이 문제를 완화할 수 있다. 많은 DC-DC 컨버터 IC는 SYNC 핀을 제공하는데, 이 핀으로 클럭 신호를 인가할 수 있다. 내부 PLL(phase-locked loop)을 사용하면, 각 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수가 이 핀에 공급되는 주파수로 설정된다.

Figure 2. Buck converters generate input-side pulsed currents. — 그림 2. 벅 컨버터는 입력 측에서 펄스형 전류를 발생시킨다.

이는 꽤 괜찮은 방법이긴 한데, 그렇다면 이 클럭 신호는 어떻게 발생시킬 수 있을까? 벅 컨버터는 입력 측에서 펄스형 전류를 발생시키므로, 컨버터들이 입력 소스로부터 동시에 모든 전류를 인출하지 않도록 해야 한다. 이를 위한 한 가지 방법은 위상 편이 외부 SYNC 클럭 신호를 사용하는 것이다. 이렇게 하면 스위칭 레귤레이터 입력 측에서 전도 방사를 크게 낮출 수 있다.

LTC6902 는 시스템 내 여러 스위칭 레귤레이터의 SYNC 핀을 제어하기 위해서 사용할 수 있는 소형 클럭 발생기 디바이스로서, 전원장치 개발자들에게 유용한 솔루션을 제공한다. 이 클러킹 디바이스는 100kHz ~ 20MHz의 클럭 신호를 제공하고, 최대 4개 스위칭 레귤레이터의 SYNC 핀을 특정한 위상 편이로 구동할 수 있으며, 필요하다면 확산 스펙트럼 주파수 변조(SSFM) 기능을 옵션으로 사용해서 주파수 도메인의 개별 피크들을 낮출 수 있다. 애플리케이션에 따라서는 이 방법으로 서로 다른 수준의 EMC를 달성할 수 있다.

그림 3은 그림 1의 전원 아키텍처로서, LTC6902 다중위상 오실레이터를 사용한 회로를 예시한 것이다. 전원 공급은 5V 전압을 사용해서 이루어진다. 이 전압은 12V를 5V로 변환하는 벅 컨버터로부터 제공된다. 스위칭 레귤레이터들이 먼저 각자의 내부 오실레이터로 기동하고 난 다음에 외부 클럭을 제공받는 식으로 동작하는 것은 통상적으로 가능하다. 이에 관한 더 자세한 내용은 각 스위칭 레귤레이터의 데이터 시트에서 확인할 수 있다.

Figure 3. A solution to the clock problem using an external clock generator module such as the LTC6902. — 그림 3. LTC6902 같은 외부 클럭 발생기 모듈을 사용해서 클럭 문제 해결

ADI는 LTC6902 4-위상 제품 외에도 LTC6908 2-위상 제품과 LTC6909 8-위상 제품도 제공한다.단일 보드 상에 여러 스위칭 레귤레이터를 사용할 때도 잡음이 낮은 시스템 설계를 구현할 수 있다. 이를 위해서는 적합한 스위칭 레귤레이터 IC를 선택하고, 보드 레이아웃을 최적화하며, 다양한 필터를 추가하는 것 같은 통상적인 최적화 작업과 함께 추가적인 클러킹 모듈을 사용하는 것이 도움이 될 것이다.

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