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.
 

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.
 

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.
LTC6902는 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 3. LTC6902 같은 외부 클럭 발생기 모듈을 사용해서 클럭 문제 해결
 
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.
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