[기술 기고] SMPS 인덕터 탑재 방향이 EMI 방사에 미치는 영향
  • 2021-08-06
  • 글 / 키스 솔루샤루샤 애플리케이션 디렉터, 겅야오 리 애플리케이션 엔지니어,프랭크 왕 EMI 엔지니어, 아나로그디바이스


SMPS에 방사를 일으키는 요인 중의 하나가 스위칭 노드인데, 이는 흔히 회로도에 SW로 표시한다. SW 노드의 구리가 안테나 역할을 해서, 빠르고 효율적인 고전력 스위칭 이벤트에 의해 생성된 잡음을 전파하는 것이다. 이것이 대부분의 스위칭 레귤레이터에서 방사가 발생하는 주된 원인이다.

스위치 모드 전원공급장치(SMPS)가 발생하는 EMI 방사 스펙트럼은 핫루프 크기, 스위칭 속도(슬루율), 주파수, 입력 및 출력 필터링, 차폐, 레이아웃, 접지 같은 다양한 파라미터에 따라 달라진다.

SMPS에 방사를 일으키는 요인 중의 하나가 스위칭 노드인데, 이는 흔히 회로도에 SW로 표시한다. SW 노드의 구리가 안테나 역할을 해서, 빠르고 효율적인 고전력 스위칭 이벤트에 의해 생성된 잡음을 전파하는 것이다. 이것이 대부분의 스위칭 레귤레이터에서 방사가 발생하는 주된 원인이다.



이 안테나 크기를 제한하기 위해서는 보드 상의 상단 레이어에서 SW 노드의 구리 양을 최소화할 필요가 있다. 모놀리식 스위칭 레귤레이터(IC 내부로 전력 스위치 통합)의 경우, 이 SW 노드는 상단 레이어에서 IC에서 인덕터까지 짧은 트레이스로 동작한다. 컨트롤러를 사용하면(스위치 컨트롤러 IC 바깥에 외부 전력 스위치 사용), SW 노드는 IC로부터 떨어져서 스위치들로 국한된다.

벅 및 부스트 스위처 토폴로지에서는 SW 노드 구리를 인덕터의 한쪽 단자에 연결한다. 여기에는 여러 성능 파라미터들이 관여되므로, PCB의 상단 레이어나 내부 레이어로 SW 노드를 레이아웃하기가 약간은 까다로워진다(그림 1).



인덕터 구조


인덕터 단자들을 고려해서 SW 노드를 수직으로(Z축 방향으로) 연결할 수도 있다. 인덕터 단자들이 수직 방향이면 SW 노드의 안테나 효과를 강화하고 방사를 늘린다. 게다가 내부의 인덕터 권선이 대칭적이지 않을 수 있다. 심지어는 인덕터 단자들이 대칭적이고 패키지 내부 구조가 대칭적일 것이라는 짐작과 달리, 부품 상단의 극성 표시가 다르게 되어 있을 수도 있다.

그림 2는 코일크래프트(Coilcraft) XAL 인덕터 시리즈의 내부 권선 구조를 보여준다. 플랫 와이어 권선이 밑에서부터 감기기 시작해서 위에서 끝난다. 그러므로 Z축 방향으로 한 쪽 단자가 다른 쪽 단자보다 훨씬 짧다.



뿐만 아니라 어느 한쪽 면으로 SW 노드가 노출된 인덕터는 EMI 방사 가능성을 높인다(그림 3). 따라서 보드 설계자가 EMI를 낮추고자 할 때는 단자 노출이 되도록 적은 인덕터를 선택해야 한다. 그렇다면 인덕터 단자들의 탑재 방향은 방사에 어떻게 영향을 미칠까?



탑재 방향에 따른 영향


테스트 중인 보드의 낮은 방사 성능은 IC의 방사 성능과 레이아웃으로 인한 영향이 결합된 결과이다. 근본적으로 방사가 낮은 모놀리식 IC라 하더라도 레이아웃에 주의를 기울여야 하며, 특히 방사와 관련해서 부품들의 탑재 방향을 신중하게 고려해야 한다. 이 점을 확인하기 위해서 LT8386 데모 회로(그림 4)의 메인 인덕터인 L1의 보드 상에서 방향에 따른 영향을 살펴보기 위한 시험을 실시했다.



여기에 사용된 인덕터는 코일크래프트의 XAL6060 시리즈 인덕터로서, 이 인덕터는 부품 상단면에 흰색 띠를 표시해서 짧은 쪽 단자라는 것을 알려준다. EMI 체임버에서 실시된 CISPR 25 전도 방사(CE) 및 복사 방사(RE) 테스트 결과를 보면, 인덕터 탑재 방향이 성능에 중대한 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있다.



그림 6 ~ 8을 보면 다른 부품들은 변경하지 않고 단지 L1의 탑재 방향을 달리하는 것만으로 DC3008A의 방사 성능이 상당한 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있다. 특히 방향 1, 즉 짧은 쪽 단자를 SW 노드로 연결했을 때가 저주파 RE(150kHz ~ 150MHz)와 FM 대역 CE(70MHz ~ 108MHz)에서 EMI가 더 낮다는 것을 알 수 있다. AM 대역에서 17dBμV/m ~ 20dBμV/m의 차이는 무시할 수 없는 수준이다.







모든 인덕터가 동일하게 제조되지는 않는다. 권선 방향, 단자 형태, 단자 배선, 핵심 소재까지도 조금씩 차이가 있을 수 있다. 서로 다른 소재와 구조마다 자계와 전계 강도가 다르므로 인덕터마다 방사가 다를 수 있다. 서로 다른 핵심 재료와 구조를 가진 H-필드와 E-필드의 강도는 인덕터 간의 다양한 방출에 중요한 역할을 할 수 있다. 그러나 이 사례 연구는 우리가 주목할 만한 내용들을 보여준다.

극성이 표시되지 않은 인덕터

내부 단자들의 방향을 알기 쉽도록 인덕터 제조사가 인덕터 표면에 점 같은 것을 표시하기도 한다. 이러한 인덕터를 사용하기로 선택했으면, PCB 실크스크린, 어셈블리 다이어그램, 회로도에 이 방향을 표시하는 것이 좋다.

어떤 인덕터는 극성이나 짧은 쪽 단자에 대해서 아무런 표시가 없을 수 있다. 이러한 경우에는 내부 권선 구조가 대칭에 가깝거나, 아니면 내부 구조가 잘 알려져 있는 것일 수 있지만, 인덕터 제조사가 자사 제품의 탑재 방향이 중요하다는 점을 인식하지 못했을 가능성도 있다. 따라서 어떠한 경우이든, 특정 인덕터를 선택하고 나서는 공인된 체임버 설비에서 양쪽 방향 모두로 방사 성능을 측정해 보는 것이 바람직하다.

인덕터 외부에 아무런 표시가 없는데 특정 파라미터 측면에서 그 인덕터를 사용하고자 하는 경우도 있을 수 있다. 예를 들어서 뷔르트 일렉트로니크(Würth Elektronik)의 WE-MAPI 합금 전력 인덕터는 크기가 작고 효율적이다. 이들 인덕터 제품은 단자들이 케이스 하단면에 몰려 있다. 상단면에 WE 로고 옆에 점이 표시되어 있는데, 데이터 시트에는 권선 시작점을 알려주는 점이 표시되어 있지 않다(그림 9).



이 때문에 약간 혼란스러울 수 있는데, 이들 제품은 내부 권선 구조가 거의 대칭적이며, 따라서 양쪽 탑재 방향으로 성능이 동일할 것으로 예상할 수 있다. 그러므로 어셈블리 실크스크린으로 탑재 방향을 굳이 표시하지 않아도 된다. 하지만 EMI에 민감한 회로에 사용하고자 할 경우에는 양쪽 방향 모두로 테스트를 해보는 것이 좋을 것이다.

WÜrth WE-XHMI를 사용한 테스트 사례

DC3008A에 Würth의 고성능 인덕터 제품을 사용해서도 테스트를 실시했다. 이 인덕터 제품은 패키지 상단면과 데이터 시트 모두에 권선 시작점을 표시하고 있다(그림 10). 74439346150 15μH 인덕터는 LT8386의 폼팩터나 전류 용량과 잘 맞는다. 코일크래프트 제품과의 비교를 위해, 이 인덕터를 가지고도 양쪽 탑재 방향에 대한 방사 테스트를 실시했다(그림 11).





테스트 결과를 보면 코일크래프트 인덕터와 비슷하다는 것을 알 수 있다(그림 12). 따라서 인덕터 탑재 방향이 EMI 방사에 상당한 영향을 미친다고 말할 수 있다. 그림 11에서 방향 1이 확실히 더 방사가 낮다는 것을 알 수 있다. 방향 1이 저주파 AM 대역 RE와 FM 대역 CE가 확실히 더 우수하다.

2-스위치 노드 벅-부스트 IC

단일 스위치 노드 부스트 LED 드라이버의 경우, 인덕터 방향이 방사에 영향을 미친다는 것은 확실하다. 그렇다면 부스트 전압 레귤레이터에서도 SW 노드의 방사 특성이 비슷할 것으로 생각할 수 있다. 전압 레귤레이터와 LED 드라이버 회로는 전력 변환 및 스위칭 소자들을 동일하게 사용하기 때문이다.

벅 레귤레이터 역시 SW 노드 설계와 관련해서 인덕터 단자로 인한 안테나 효과를 최소화하는 것이 중요하다. 그런데 벅 레귤레이터의 SW 노드는 컨버터의 입력 측에 좀더 가깝기 때문에 인덕터 방향이 부스트 레귤레이터에서처럼 RE와 CE에 많은 영향을 미치는지 알아보기 위해서 좀더 연구가 필요해 보인다.

2-스위치 노드 벅-부스트 컨버터는 일이 좀더 까다로워진다. 널리 사용되는 60V 동기식 4스위치 벅-부스트 컨트롤러인 LT8390 같은 벅-부스트 컨버터는 SSFM이나 핫 루프를 작게 하는 것을 비롯해서 EMI를 낮추기 위한 기능들을 포함하고 있다. 단일 인덕터 제품만으로는 인덕터 방향이 방사에 어떻게 영향을 미치는지 확실하게 파악할 수 없다. 짧은 쪽 단자를 한쪽 SW 노드로 연결하면, 긴 쪽 단자가 다른 쪽 SW 노드에서 안테나로서 동작한다.



이러한 설계에서는 방향을 어떻게 하는 것이 좋을까? 4-스위치 동작 구간(VIN이 VOUT에 가까워짐)에서 4개 스위치가 모두 스위칭할 때는 어떻게 될까?

이것을 알아보기 위해서 후속 연구에서는 SW 노드 2개를 포함하는 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러로 인덕터 방향에 따른 EMI를 테스트할 계획이다. 이 토폴로지로는 180° 돌리는 것 말고도 두 가지 이상의 방법들이 가능할 것이다.

맺음말

지금까지 스위칭 레귤레이터에 인덕터의 탑재 방향이 중요하다는 것을 살펴보았다. 방사를 측정할 때는 선택한 인덕터의 특징을 이해하고, 양쪽 방향 모두로 테스트하고, 제조 시에 인덕터 방향 때문에 어떠한 예기치 않은 난관에 부딪히지 않도록 보드 제조 팀과 명확하게 의사소통을 해야 한다. 단지 인덕터 방향을 180° 돌리는 것만으로 방사 성능을 향상할 수 있다.


저자 소개

키스 솔루샤(Keith Szolusha)는 아나로그디바이스(캘리포니아주 산타클라라)의 애플리케이션 디렉터이다. 2000년부터 BBI 전원 그룹에서 부스트, 벅-부스트, LED 드라이버 제품을 맡아 왔으며 전원 제품 EMI 체임버를 관리하는 업무도 맡고 있다. MIT에서 1997년에 BSEE, 1998년에 MSEE를 취득했다. keith.szolusha@analog.com

겅야오 리(Gengyao Li)는 아나로그디바이스(캘리포니아주 산타클라라) 전원 제품 그룹의 애플리케이션 엔지니어이다. 부스트, 벅-부스트, LED 드라이버를 비롯한 DC-DC 컨버터의 설계와 평가 업무를 맡고 있다. 2017년에 오하이오 주립대학에서 전기공학 석사학위를 취득했다. gengyao.li@analog.com

프랭크 왕(Frank Wang)은 텍사스 대학(댈러스)에서 전기공학 석사학위를 취득하고 공인 시험 기관에서 근무하다 아나로그디바이스로 이직했다. 4년 간 EMC/EMI 테스트 엔지니어와 프로젝트 책임자로 일하면서 표준 테스트, 일정 관리, 디버깅, 테스트 장비 보정, 체임버 유지보수 등과 관련해서 풍부한 경험을 쌓았다. frank.wang@analog.com

 

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