최근 자동차의 전자화가 급속하게 이뤄지면서 전장 부품에서 발생하는 EMI를 최소화하는 요구가 증가하고 있다. 본고에서는 자동차 환경에서 EMI를 최소화하는 방안에 대하여 알아본다.

배경

인쇄 회로 기판(PCB) 레이아웃은 모든 전원 장치의 성공과 실패를 결정하며, 기능적 특성과 전자기 간섭(EMI), 열 특성을 결정한다. 스위칭 전원장치 레이아웃이 마법은 아니지만 종종 초기 설계 과정에서 간과되곤 한다. 기능과 EMI 요구사항은 만족시켜야 하는 필수 사항이므로 전원 장치의 기능적 안정에 도움이 되는 우수한 특성은 EMI 방사의 요건을 충족하는 데에도 도움이 된다. 한 가지 염두에 두어야 할 사항은 처음부터 우수한 레이아웃을 갖추는 것은 비용을 전혀 추가하지 않아도 된다는 의미가 아니며, EMI 필터나 기계적 차폐, EMI 테스트 시간 및 PC 보드 수정 등의 필요를 없애줌으로써 실제적인 비용 절감이 가능하다는 의미이다.
더욱이 간섭과 잡음에 대한 잠재적인 문제는 전류 공유와 높은 출력 전력을 위해 여러 개의 DC/DC 스위치모드 레귤레이터를 병렬로 구성할 경우 악화될 수 있다. 만약 모든 레귤레이터가 유사한 주파수에서 동작(스위칭) 한다면 회로에 있는 여러 레귤레이터에 의해 발생하는 결합된 에너지가 하나의 주파수에 집중된다. 이러한 에너지 존재는 다른 시스템 보드뿐 아니라 PC 보드 상의 나머지 IC들이 서로 가까이 인접해 이러한 방사된 에너지에 민감하게 반응할 경우 문제가 될 수 있다. 이것은 특히 배치가 조밀하면서 종종 오디오, RF, CAN 버스 및 다양한 레이더 시스템에 근접해 있는 자동차 시스템에서 문제를 일으킬 수 있다.

스위칭 레귤레이터 잡음 방사 대처 방법

자동차 환경에서는 주로 낮은 열 방출과 효율이 중요한 부분에서 스위칭 레귤레이터가 선형 레귤레이터를 대체하고 있다. 스위칭 레귤레이터는 보통 입력 전력 버스 라인에서 가장 우선적인 능동 부품이기 때문에 완전한 컨버터 회로의 EMI 성능에 많은 영향을 미친다.
EMI 방사에는 전도(conducted) 및 방사(radiated)의 두 종류가 있다. 전도 방사(Conducted emissions)는 제품에 서로 연결되는 와이어와 트레이스를 타고 흐른다. 잡음은 설계의 특정 단자나 커넥터에 국지적으로 존재하기 때문에 앞에서 언급했듯이 우수한 레이아웃이나 필터를 갖추면 전도 방사 요구사항에 대한 준수는 비교적 개발 과정의 초기에 보장할 수 있다.
그러나 방사 방출(Radiated emissions)은 또 다른 문제이다. 전류가 흐르는 보드에 존재하는 모든 것은 전자기장을 방사한다. 보드의 모든 트레이스는 안테나이며 모든 구리 플레인은 공진기이다. 순수한 사인파 또는 DC 전압 이외의 모든 것은 전체 신호 스펙트럼에 걸쳐 잡음을 발생시킨다. 신중한 설계에도 설계자는 시스템을 시험하기 전까지 방사가 어느 정도일지 실제로 알 수 없다. 또한 방사 방출 시험은 설계가 기본적으로 완료될 때까지 공식적으로 수행할 수 없다.



종종 EMI를 감소시키기 위해 필터를 사용해 특정 주파수 또는 주파수 범위에서 강도를 감쇄시키는 방법이 이용된다. 공간을 통과하는 이러한 에너지의 (방사되는) 부분은 금속 및 자기 차폐를 추가하여 감쇄시킨다. PCB 트레이스를 타고 흐르는 (전도되는) 부분은 페라이트 비드 및 기타 필터를 추가하여 완화시킨다. EMI를 완전히 제거할 수는 없지만 다른 통신 및 디지털 부품에 의해 허용 가능한 수준으로 감쇄시킬 수 있다. 일부 규격 기관에서는 적합성을 보장하기 위한 표준을 규정하고 있다.
최근의 표면 실장 방식의 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 고조파 성분을 증가시킨다. 스위칭 주파수가 두 배 증가할 때마다, EMI는 스위치 용량과 전환 시간 같은 다른 모든 파라미터가 일정하다고 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 접지 레이어를 사용할 것이다. 그러나 디커플링 부품에서 적절한 에너지 저장에 필요한 소자의 핀아웃과 패키지 구성, 열 설계 요구사항, 패키지 크기 등으로 인해 최소 핫루프 크기가 필요하다. 통상적인 플래너 인쇄 회로 기판에서 문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은 고조파 주파수가 높아질수록 원하지 않는 자기 커플링 효과가 커지기 때문에 30 MHz를 초과하는 트레이스 간의 자기 또는 트랜스포머 방식 커플링이 모든 필터 노력을 반감시킨다는 것이다.

EMI 문제에 대한 새로운 솔루션

EMI 문제에 대한 신뢰할 수 있는 솔루션은 완전한 회로에 차폐 박스를 사용하는 것이다. 물론 이것은 비용과 필요한 보드 공간을 증가시키고 열 관리와 테스트를 더욱 어렵게 만들며 추가적인 조립 비용을 발생시킨다. 많이 이용되는 다른 방법으로는 스위칭 에지를 낮추는 방법이 있다. 이 방법은 효율을 감소시키고 관련된 부동 시간과 최소 온/오프 시간을 증가시키는 등 원하지 않는 효과를 발생시키고, 잠재적인 전류 제어 루프 속도를 저하시킬 수 있다.
리니어에서 새롭게 출시된 LT8614 Silent Switcher™ 레귤레이터는 차폐를 사용하지 않아도 차폐 박스 효과를 제공하며 위에서 언급한 단점도 없다(그림 1 참조). 또한 LT8614는 세계적 수준의 단지 2.5 μA 동작 전류의 낮은 IQ를 갖는다. 이 값은 로드 없이 레귤레이션 시 소자에 의해 소비되는 전체 전원 전류이다.



LT8614의 매우 낮은 드롭아웃 성능은 내부 상단 스위치에 의해서만 제한된다. 다른 솔루션과 달리 LT8614의 RDSON은 최대 듀티 사이클과 최소 오프(off) 시간에 의해 제한되지 않는다. 이 소자는 드롭아웃시 스위치 오프(switch-off) 사이클을 건너뛰고 필요한 최소 오프(off) 사이클만 수행하면서 내부 상단 스위치의 부스트 스테이지 전압을 일정하게 유지한다(그림 6 참조).
이 밖에 소자는 최소 동작 입력 전압이 2.9 V(일반) 및 3.4 V(최대)이기 때문에 드롭아웃시 3.3 V 레일을 제공할 수 있다. LT8614는 LT8610/11보다 전체 스위치 저항이 더 낮으므로 고전류에서 효율이 더 높다. LT8614는 또한 200 KHz ~ 3 MHz 범위의 외부 주파수에 동기화할 수 있다.
LT8614는 높은 스위칭 주파수에서 최소 효율 손실로 동작할 수 있어 AC 스위칭 손실이 낮다. 또한 많은 자동차 환경에서 흔히 볼 수 있는 EMI에 민감한 애플리케이션에서 우수한 균형을 얻을 수 있으며, 더욱 낮은 EMI를 위한 AM 대역 미만 동작 또는 AM 대역 이상의 동작이 모두 가능하다. 700 KHz 동작 스위칭 주파수를 갖는 구성에서 표준 LT8614 데모 보드는 CISPR25, 클래스 5 측정에서 잡음 플로어를 초과하지 않는다.
그림 2 측정은 무반향실(anechoic chamber)에서 다음의 조건인 12 V 입력 및 3.3 V 출력 전압과 2 A 출력 전류, 700 kHz의 고정 스위칭 주파수에서 수행되었다.
LT8614 무음 스위처 기술과 최근의 다른 첨단 스위칭 레귤레이터를 비교하기 위해 LT8614 부품을 LT8610에 대해 측정하였다. 테스트는 두 부품에 대해 모두 표준 데모 보드 상에서 동일한 로드와 입력 전압, 동일한 인덕터를 사용하여 GTEM 셀에서 수행되었다.
LT8614 무음 스위처 기술을 사용할 경우 이미 우수한 LT8610의 EMI 성능에 비해 특히 관리가 어려운 높은 주파수 영역에서 최대 20 dB까지 향상된 것을 볼 수 있다. 이것은 LT8614 스위칭 전원 장치가 전체 설계에서 다른 민감한 시스템에 비해 더 적은 필터링을 필요로 한다는 것을 의미하므로 더 간단하고 작은 설계를 구현할 수 있게 한다.
시간 영역에서 LT8614는 스위치 노드 에지에서 매우 유용한 특성을 보여준다(그림 4 참조). 4 ns/div에서도 LT8614 무음 스위처 레귤레이터는 매우 낮은 링잉을 보여준다(그림 3 Ch2 참조). LT8610은 우수한 링잉 감소를 갖지만 (그림 3 Ch1), LT8614에 비해 핫루프에 저장된 에너지가 더 높은 것을 볼 수 있다(Ch2).
그림 5는 13.2 V 입력에서 스위치 노드를 보여준다. Ch2에 보이는 LT8614의 스위치 노드 파형은 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 수행되었으며, 폐쇄 프로브 팁 차폐 연결은 PCB GND 플레인에 연결하였다.
자동차 환경의 경우 두 부품의 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 가깝게 유지된다. 다른 부품은 높은 미달전압 록아웃 전압과 최대 듀티 사이클 클램프를 보여주지만 LT8610/11/14 소자는 최저 3.4 V까지 동작하고, 필요한 경우 빠르게 오프(off) 사이클을 건너뛰기 시작한다(그림 6 참조). 이것은 이상적인 드롭아웃 특성을 제공한다(그림 7 참조).
LT8614는 30 ns의 낮은 최소 온(on) 시간을 가지고 있어 높은 스위칭 주파수에서도 큰 스텝다운 비를 제공한다. 그 결과 이 소자는 최대 42 V의 입력으로부터 단일 스텝 다운을 갖는 로직 코어 전압을 제공할 수 있다.

결론

자동차 환경에서 시스템 완성 후 EMI 시험 통과를 보장하기 위해서는 초기 설계 과정에서 EMI 고려사항에 대한 신중한 주의가 필요하다는 사실은 잘 알려져 있다.
지금까지 적절한 전력 IC 선택을 통해 이를 간편하고도 확실하게 달성할 수 있는 방법은 없었지만, 이제 LT8614의 출시와 함께 이러한 상황이 변하고 있다.
이 LT8614 무음 스위처 레귤레이터는 최근의 첨단 스위칭 레귤레이터보다 EMI를 20 dB 이상 낮추며 단점 없이 변환 효율을 증가시킨다. 또한 동일한 보드 공간에서 최소 온/오프 시간이나 효율을 저하시키지 않으면서 30 MHz 이상의 주파수 범위에서 10배의 EMI 향상을 달성하고 있다. 이러한 향상은 특별한 부품이나 차폐를 추가하지 않고 달성한 성과이므로 스위칭 레귤레이터 설계에 큰 혁신을 의미한다. 이것은 자동차 시스템 설계자가 그들의 제품을 새로운 수준의 잡음 성능으로 끌어올릴 수 있게 하는 혁신적인 제품을 의미한다.  ES