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실제 회로에서 출력 전압 리플을 정확하게 측정, 잠재적 문제 식별 방법도 제안

스위치 모드 전원공급장치(SMPS)는 저전압 강하 레귤레이터(LDO)에 비해 우수한 효율과 뛰어난 전력 처리 능력을 제공한다. 그러나 동시에 전력 FET의 빠른 스위칭 과도 응답 특성은 주변으로 방사되는 전자기 노이즈를 유발한다. 이러한 방사 노이즈는 출력 전압 리플을 측정할 때 함께 포착될 수 있으며, 이는 고주파 노이즈 형태로 나타난다. 부적절한 측정 환경은 SMPS의 실제 성능 평가를 왜곡할 수 있다. 

이 글에서는 전압 측정 과정에서 나타나는 고주파 노이즈의 근본 원인을 분석하고, 이러한 노이즈가 실제로 고객에게 중요한 문제인지 여부를 설명한다. 또한 앤시스 맥스웰(Ansys Maxwell) 시뮬레이션을 활용해 전원공급장치 주변의 방사 자속 분포를 모델링하고 그 영향을 시각적으로 분석했다. 아울러 실제 회로에서 출력 전압 리플을 정확하게 측정하고 고주파 노이즈로 인해 발생할 수 있는 잠재적인 문제를 식별할 수 있는 측정 방법도 제안한다.

머리말

많은 애플리케이션에서 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)는 우수한 효율과 뛰어난 전력 처리 능력과 같은 우수한 성능 때문에 사실상 유일한 선택지가 된다. 벅(step-down) 전력 컨버터는 다양한 애플리케이션에서 가장 널리 사용되는 토폴로지다. 펄스 폭 변조(PWM)로 제어되는 스위칭 특성은 전력 전달을 조절하는 역할을 한다. 그러나 동시에 전력 FET의 매우 빠른 스위칭 과도 응답이 수 나노초 ~ 수십 나노초 사이의 시간 동안 발생하면서 고주파 노이즈를 유발할 수 있다. 예를 들어 노이즈에 민감한 애플리케이션에서는 전원공급장치에서 발생하는 고주파 전압 스파이크가 클럭 신호와 정렬될 경우, ADC, ASIC, FPGA와 같은 부하 장치의 오동작이나 시스템 오류를 유발할 수 있다. 따라서 고주파 노이즈의 근본 원인을 이해하고 노이즈 문제를 식별하며 이러한 고주파 노이즈의 영향을 줄이거나 제거할 수 있는 잠재적인 해결 방법을 찾는 것이 중요하다. 이를 위해서는 정확한 노이즈 및 리플 측정 방법이 매우 중요하다.

벅 컨버터에서 통상적인 VOUT 리플

일반적인 벅 컨버터에서는 인덕터와 커패시터가 필터 역할을 하여 스위칭 동작에 의해 발생하는 AC 신호의 전도 경로를 제공한다. 인덕터 전류는 AC 성분과 DC 성분을 모두 포함하고 있다. AC 성분의 대부분은 출력 커패시터로 흐르고, DC 성분만 부하로 흐르게 된다. 그림 1(a)와 같이 부품의 기생 성분을 고려하지 않는 경우, 출력 커패시터 양단의 출력 전압 리플은 그림 1(b)에 나타난 것처럼 비교적 부드러운 파형을 나타낸다.

그림 1. 단순화한 벅 컨버터 회로: (a) 기생 성분이 없는 회로, (b) 스위칭 파형

그림 2(a)와 같이 출력 커패시터의 기생 저항과 기생 인덕턴스를 고려하면 출력 전압 리플은 그림 2(b)에 나타난 것처럼 크게 변화할 수 있다.

그림 2. 기생 성분이 포함된 출력 커패시터: (a) 단순화한 회로, (b) 출력 전압 파형

그림 2(b)의 파형에 나타나는 AC 성분은 주로 스위칭 주파수 주변에 분포하며, 일반적으로 수백 kHz ~ 수 MHz 범위에 위치한다. 그러나 실제 테스트에서 측정되는 출력 전압에는 수백 MHz 수준의 훨씬 더 높은 주파수 성분이 나타나는 경우가 많다. 전력 인덕터의 기생 커패시턴스는 그림 3과 같이 스위칭 노드에서 출력으로 수백 MHz 신호가 전달될 수 있는 전도 경로를 제공할 수 있다.

그림 3. 인덕터의 기생 커패시턴스를 고려한 출력 전압 리플: (a) 스위칭 노드에서 출력으로 이어지는 전도 경로, (b) 스위칭 파형

그림 4(a)는 LTM4628 μModule® 벅 레귤레이터를 기반으로 한 출력 전압 측정을 예시한 것으로, 스위칭 주파수 파형과 고주파 스파이크를 쉽게 확인할 수 있다. 그러나 프로브의 위치를 보드에 대해 수직 방향에서 수평 방향으로 변경하면 그림 4(b)에서 보이는 것과 같이, 측정된 출력 전압 리플이 54mV에서 42mV로 감소한다. 그림 5는 출력 전압 측정 방법을 보여준다. 만약 전도 경로에서 발생하는 출력 전압 리플만 고려한다면 측정 결과는 프로브 위치에 따라 달라지지 않아야 한다. 한편 프로브에 의해 포착된 고주파 노이즈는 스위칭 동작과 정렬되어 나타난다. 따라서 프로브가 추가로 포착한 고주파 노이즈는 빠른 스위칭 과도 응답 동안 핫 루프에서 발생하는 높은 di/dt에 의해 유도된 방사 노이즈일 가능성이 있다.

그림 4. 일반적인 수동 프로브를 사용해 LTM4628에서 측정한 출력 전압 리플: (a) 프로브가 데모 보드에 대해 수직인 경우, (b) 프로브가 데모 보드에 대해 수평인 경우

그림 5. 출력 전압 리플 측정 설정: (a) 프로브가 데모 보드에 대해 수직인 경우, (b) 프로브가 데모 보드에 대해 수평인 경우

프로브 위치에 의해 발생하는 차이를 추가로 확인하기 위해 그림 6과 같이 일반 프로브, BNC 케이블, 액티브 차동 프로브 등 서로 다른 프로브를 사용해 출력 전압 리플을 측정했다. 그림에서 볼 수 있듯이 일반 프로브는 접지 반환 경로로서 추가 스프링을 사용해야 하므로 측정 루프가 더 크게 형성된다.

서로 다른 프로브를 사용해 측정한 결과는 표 1에 정리되어 있다. 수직 방향 프로브 측정과 비교하면 수평 방향 프로브 측정에서는 항상 더 낮은 고주파 스파이크가 나타난다. 또한 일반 프로브를 사용한 수평 측정 결과는 BNC 케이블이나 차동 프로브를 사용한 측정보다 더 높은 값을 나타낸다.

그림 6. 다양한 프로브들: (a) 일반 프로브, (b) BNC 케이블, (c) 차동 프로브

표 1. 수직 및 수평 측정 방법에서 서로 다른 프로브로 측정한 출력 전압 리플

출력 전압 리플 측정 과정에서 나타나는 예상치 못한 현상을 이해하기 위해, 그림 7(a)와 같이 단순화된 LTM4628 물리 구조를 기반으로 맥스웰 시뮬레이션 모델을 구축했다. 핫 루프 1은 모듈 내부의 MOSFET과 내부 입력 커패시터로, 핫 루프 2는 MOSFET과 데모 보드에서 모듈 근처에 배치된 외부 입력 커패시터로 각각 구성된다. 스위칭 과도 응답 동안 핫 루프에서 발생하는 높은 di/dt를 모사하기 위해 300MHz의 개념적 전류를 핫 루프 1과 핫 루프 2에 주입했다. 그림 7(b)는 모듈 주변의 H-필드 분포를 보여준다. H-필드는 데모 보드 상단의 모듈 주변 영역에서 훨씬 더 강하게 나타나며, 이는 핫 루프에서 발생한 자속이 프로브 측정 루프에 의해 쉽게 포착될 수 있음을 의미한다.

그림 7. 맥스웰 유한요소해석(FEA) 시뮬레이션: (a) 시뮬레이션 모델, (b) H-필드 분포

서로 다른 프로브 위치에서 측정 결과가 달라지는 근본 원인을 설명하기 위해, 보다 자세한 분석을 위해 확대된 H-필드 분포를 그림 8에 제시했다. 그림 8에서 볼 수 있듯이 수직 측정 루프의 등가 면적은 수평 측정 루프 면적보다 약 8배 더 많은 자속을 포착할 수 있다. 이는 두꺼운 구리 폴리곤이 포함된 데모 보드가 고주파 자속에 대한 감쇠 역할을 하기 때문에 자속이 보드를 관통하지 못하도록 막기 때문이다. 따라서 대부분의 자속은 데모 보드 표면을 따라 수평 방향으로 흐르게 된다.

그림 8. 출력 커패시터 주변의 상세 자속 분포

그림 9는 수직 측정 루프가 핫 루프에서 발생하는 자속을 더 많이 포착하는 과정을 보다 직관적으로 보여준다. 프로브의 양(+) 팁, 음(-) 또는 접지 팁, 그리고 프로브 내부의 반환 경로는 안테나와 같은 루프를 형성하며, 이 루프가 스위칭 레귤레이터 주변에 존재하는 고주파 자속을 포착할 수 있다.

그림 9. VOUT 측정 루프에 의해 추가로 포착된 방사 노이즈

이 개념을 추가로 검증하기 위해, 동일한 프로브에 차폐(shielding)를 적용하여 그림 10과 같이 VOUT 리플을 측정했다. 차동 프로브 주변에 구리 포일을 수동으로 감아 차폐층을 형성했으며, 프로브는 데모 보드에 대해 수직 방향으로 배치했다.

그림 10. 차동 프로브를 이용한 VOUT 측정: (a) 차폐 없음, (b) 구리 포일 차폐 적용

그 결과, 차폐된 프로브를 사용한 그림 10(b)에서는 차폐되지 않은 측정 결과인 그림 10(a)와 비교해 고주파 노이즈가 크게 감소한 것을 확인할 수 있다. 고주파 노이즈를 제외하면 두 그림에서 나타나는 스위칭 주파수 리플 파형은 거의 유사하다. 또한 그림 3에서 설명한 것처럼 인덕터의 기생 커패시턴스로 인해 출력 커패시터 양단에는 그림 10(b)와 같은 고주파 리플이 존재하게 된다.

그림 11. VOUT 측정 결과: (a) 차폐 미적용시 114.4mV, (b) 차폐 적용시 27.2mV

결론

빠른 스위칭 과도는 핫 루프에서 높은 di/dt를 유발한다. 벅 컨버터의 출력 전압 리플에서는 이러한 높은 di/dt로 인해 인덕터의 기생 커패시턴스가 형성하는 전도 경로를 통해 고주파 노이즈가 발생할 수 있다.

그러나 실제 VOUT 리플 측정에서는 이보다 더 높은 주파수의 노이즈가 추가로 포착되는 경우가 있으며, 이러한 노이즈 역시 스위칭 동작과 정렬되어 나타난다. 이 추가적인 리플은 핫 루프에서 발생하는 높은 di/dt로 인해 발생하는 방사 노이즈다. 또한 이 고주파 스파이크의 크기는 데모 보드에서 프로브의 위치에 따라 달라질 수 있다. 앤시스 시뮬레이션 결과에 따르면 수직 측정 방식은 수평 방식보다 핫 루프에서 발생하는 훨씬 더 많은 고주파 자속을 포착할 수 있다.

이 이론을 추가로 검증하기 위해 차폐된 프로브를 사용해 VOUT 리플을 측정했다. 차폐 프로브를 사용한 경우, 비차폐 프로브를 사용했을 때보다 고주파 노이즈가 크게 감소했다. 이는 프로브가 추가적인 방사형 고주파 노이즈를 포착할 수 있음을 보여준다. 따라서 보드의 출력 커패시터(COUT) 양단에 실제로 존재하는 VOUT 리플은 프로브로 측정된 VOUT 리플보다 더 작을 수 있다.

저자 소개

유 얀(Yu Yan)은 미국 테네시대학교에서 전기공학 박사 학위를 취득하고 2022년 아나로그디바이스(Analog Devices)에 애플리케이션 엔지니어로 합류했다. 그의 전문 분야는 DC-DC 컨버터, AC-DC 컨버터, 디지털 제어 기술이며, 대학에서는 전기차 충전기 설계 연구를 수행했고 아나로그디바이스에서는 전력 모듈 개발에 참여하고 있다.

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