스위칭 레귤레이터는 낮은 열 방출과 효율이 중요한 분야에서 선형 레귤레이터를 대체한다. 스위칭 레귤레이터는 일반적으로 입력 전원 버스 라인에서 가장 우선적인 능동 부품으로 전체 컨버터 회로의 EMI 성능에 많은 영향을 미친다.

PCB 설계시 요구조건

표면 실장 기술에서 최근의 입력 필터 부품은 스루홀 부품보다 우수한 성능을 갖는다. 그러나 스위칭 레귤레이터의 동작 스위칭 주파수 증가가 이러한 향상을 앞지르고 있다. 높은 효율과 낮은 최소 온/오프(on/off) 시간은 빠른 스위치 전환으로 더 높은 고조파 성분을 발생시킨다.
스위칭 주파수가 두 배 증가할 때마다, EMI는 스위치 용량과 전환 시간 같은 다른 모든 파라미터가 변하지 않는다고 가정하면 6 dB 더 나빠진다. 광대역 EMI는 스위칭 주파수가 10배 증가하면 20 dB 더 높은 방출을 갖는 1차 고역 통과처럼 동작한다.
경험이 풍부한 PCB 설계자는 핫루프를 작게 만들고 능동 레이어와 가능한 가깝게 차폐 GND 레이어를 사용하려고 한다. 그러나 커플링 부품에서 적절한 에너지 저장에 필요한 핀아웃과 패키지 구성, 열 설계 요구사항, 패키지 크기 등으로 일정한 최소 핫루프 크기가 필요하다.
통상적인 플래너 인쇄 회로 기판에서 레이아웃을 더욱 어렵게 만드는 것은 고조파 주파수가 높아질수록 원하지 않는 자기 커플링 효과가 커지기 때문에 30 MHz를 초과하는 트레이스 간의 자기 또는 트랜스포머 방식 커플링은 모든 필터 노력을 반감시킨다는 점이다.
신뢰할 수 있는 솔루션은 전체 회로에 차폐 박스를 사용하는 것이다. 물론 이것은 비용 및 필요한 보드 공간을 증가시키고 열 관리와 테스트를 더욱 어렵게 만들 뿐 아니라 추가적인 조립 비용을 발생시킨다. 많이 이용되는 다른 방법으로는 스위칭 에지를 낮추는 방법이 있다. 이 방법은 효율을 감소시키고 필요한 데드타임과 최소 온/오프 시간을 증가시키는 원하지 않는 효과를 발생시키며, 잠재적인 전류 제어 루프 속도를 저하시킬 수 있다.

Silent Switcher 레귤레이터

리니어의 신제품 LT8614 Silent Switcher 레귤레이터를 사용하면 차폐를 사용하지 않아도 차폐 박스 효과를 가질 수 있으며 위에서 언급한 단점도 발생하지 않는다(그림 1 참조).
LT8614는 LT861x 시리즈의 세계적 수준의 낮은 IQ인 단 2.5 μA 동작 전류를 갖는다. 이 값은 무부하에서 레귤레이션이 유지되는 동안 소자에 의해 소비되는 전체 전원 전류이다.
LT8614는 이 제품군과 동일한 매우 낮은 드롭아웃 특성을 가지며, 이 특성은 내부 상단 스위치에 의해서만 제한된다. 다른 솔루션과 달리 LT8614의 RDSON은 최대 듀티 사이클과 최소 오프(off) 시간에 의해 제한되지 않는다. 이 제품은 드롭아웃 조건에서 스위치 오프(switch-off) 사이클을 건너 뛰고 필요한 최소 오프(off) 사이클만 수행하면서 내부 상단 스위치의 부스트 스테이지 전압을 일정하게 유지한다(그림 6 참조).
이 밖에 최소 동작 입력 전압은 2.9 V(일반), 3.4 V(최대)이며, 드롭아웃 조건에서 3.3 V 레일에 전원을 공급할 수 있다. LT8614는 고전류에서 LT8610/11보다 전체 스위치 저항이 더 낮기 때문에 효율이 더 높다. LT8614는 200 KHz ~ 3 MHz 범위에서 동작하는 외부 주파수와 동기화할 수 있다.
LT8614는 높은 스위칭 주파수로 많은 효율 손실 없이 동작할 수 있어 AC 스위치 손실이 낮다. 또한 자동차 환경과 같은 EMI에 민감한 애플리케이션에서 우수한 균형을 얻을 수 있고 AM 대역 미만에서도 더욱 낮은 EMI로 동작할 수 있으며 AM 대역 이상에서도 동작할 수 있다. 700 KHz 동작 스위칭 주파수를 갖는 구성에서 표준 LT8614 데모 보드는 CISPR25 측정에서 규격상의 제한치를 초과하지 않는다.
그림 2 측정은 무반향실(anechoic chamber)에서 2 A에서 12 V 입력 및 3.3 V 출력 전압과 700 kHz의 고정 스위칭 주파수를 사용하여 수행됐다.
LT8614 무음 스위처 기술과 최근의 첨단 스위칭 레귤레이터를 비교하기 위해 LT8610에 대해 LT8614 부품을 측정했다. 테스트는 두 부품에 대해 모두 표준 데모 보드 상에서 동일한 로드와 입력 전압, 동일한 인덕터를 사용해 GTEM 셀에서 수행됐다.
LT8614 무음 스위처 기술을 사용할 경우 특히 관리가 어려운 높은 주파수 영역에서 이미 우수한 LT8610의 EMI 성능 대비 최대 20 dB까지 향상된 것을 볼 수 있다. 이것은 LT8614 스위칭 전원이 전체 설계에서 다른 민감한 시스템보다 더 적은 필터링과 거리를 필요로 한다는 것을 의미해 설계를 더 작고 간단히 만들 수 있다.


시간 영역에서 LT8614는 스위치 노드 에지에서 매우 유용한 특성을 보여준다(그림 4 참조).
4 ns/div에서도 LT8614 무음 스위처 레귤레이터는 매우 낮은 링깅을 보여준다(그림 3의 Ch2 참조). LT8610은 링깅을 적절히 억제하고 있지만(그림 3 Ch1), Ch2의 LT8614에 비해 핫루프에 저장된 에너지가 더 높은 것을 볼 수 있다.


그림 5는 13.2 V 입력에서 스위치 노드를 보여준다. Ch2에 보이는 LT8614
의 이상적인 구형파로부터 거의 벗어나지 않는 것을 볼 수 있다. 그림 3에서 5까지 모든 시간 영역 측정은 500 MHz Tektronix P6139A 프로브를 사용하여 모두 표준 데모 보드 상에서 수행됐으며, 폐쇄 프로브 팁 차폐 연결은 PCB GND 플레인에 연결했다.
자동차 환경에서는 42 V 절대 최대 입력 전압 정격 외에도 드롭아웃 특성이 매우 중요하다. 종종 콜드 크랭크 상황에서 중요한 3.3 V 로직 전원을 지원할 필요가 있다. 이 경우 LT8614 무음 스위처 레귤레이터는 LT861x 제품군의 이상적인 특성에 가까운 특성을 유지한다. 다른 부품은 높은 미달전압 록아웃 전압과 최대 듀티 사이클 클램프를 보여주지만, LT8610/11/14 소자는 최저 3.4 V까지 동작하고, 필요한 경우 빠르게 사이클을 건너뛰기 시작한다(그림 6 참조). 이것은 이상적인 전압강하 특성을 유도한다(그림 7 참조).
LT8614는 30 ns의 낮은 최소 온(on) 시간을 가지고 있어 높은 스위칭 주파수에서도 큰 스텝 다운 비를 제공한다. 그 결과 이 소자는 최대 42 V 입력으로부터 단일 스텝 다운을 갖는 로직 코어 전압을 제공할 수 있다.
결론적으로, LT8614 무음 스위처 레귤레이터는 최근의 첨단 스위칭 레귤레이터보다 EMI를 20 dB 이상 낮추며, 단점을 발생시키지 않으면서 변환 효율을 증가시킨다. 또한 동일한 보드 공간에서 최소 온/오프 시간이나 효율을 저하시키지 않으면서 30 MHz 이상의 주파수 범위에서 10배의 EMI 향상을 달성했다. 이러한 향상은 특별한 부품이나 차폐를 추가하지 않고 얻은 성과이기 때문에 스위칭 레귤레이터 설계에서 큰 혁신을 나타낸다. 지금까지 단일 IC에서 이러한 수준의 성능이 구현된 적은 없었다. 이것은 최종 시스템 설계자가 그들의 제품을 다음 수준으로 끌어올릴 수 있는 혁신적인 제품을 의미한다.