“리니어 레귤레이터는 노이즈가 적고 정밀 전압 공급에 유리하며, 벅 컨버터는 고효율 강압 방식에 적합하다. 이처럼 전원 회로 설계시 개발자가 설계 목적에 맞는 부품을 정확히 사용해야 비용 효율적이고, 목적에 맞는 최적의 성능을 내는 제품을 개발할 수 있다. ADI는 개발자들이 최신 기술을 바탕으로 효율적으로 전원회로를 설계할 수 있도록 솔루션을 지속 제공하겠다”

아나로그디바이스(Analog Devices)가 22일 e4ds eeWebinar를 통해 ‘Analog Devices와 함께 하는 전원 회로 설계 웨비나’를 진행했다.

이번 웨비나는 ADI의 노일 상무가 맡아 ‘power 소자 및 다양한 스위칭 레귤레이터 토폴로지 이해를 주제로 진행됐다.

노일 상무는 전원 회로 설계의 기본 개념과 최신 기술을 소개하며, 리니어 레귤레이터와 DC-DC 컨버터의 최신 동향을 덧붙였다.

■ 정밀한 전압 공급 리니어 레귤레이터, 전력 효율 컨버터

노일 상무는 먼저 리니어 레귤레이터에 대해 설명하면서, 이 방식의 가장 큰 강점은 회로 구성이 단순하며 잡음(노이즈)이 매우 낮다는 점이라고 강조했다.

리니어 레귤레이터는 출력 전압을 꾸준하게 유지하면서도 외부 간섭이나 스위칭 소음이 거의 없기 때문에, 정밀 아날로그 회로나 민감한 전자 부품에 안정적인 전원을 공급하는 데 유리하다.

또한 출력 전압이 매우 깔끔하게 관리되기 때문에, 고정밀 회로에 적합하며, 전압 변동에 민감한 애플리케이션에서 신뢰할 수 있다는 평가를 받는다고 말했다.

반면에 입력과 출력 사이의 전압 강하가 클 경우 불필요한 열 발생과 에너지 낭비가 일어나게 되어, 효율 면에서는 단점이 될 수 있다는 점도 함께 언급했다.

이와 함게 노일 상무는 컨버터(특히 스위칭 레귤레이터나 DC-DC 컨버터)의 특징에 대해서도 상세히 설명했는데 컨버터는 스위칭 방식을 이용해 전압 변환을 수행하기 때문에, 입력 전압과 출력 전압 차이가 큰 경우에도 에너지 손실이 상대적으로 적어 높은 효율을 자랑한다고 밝혔다.

특히 다양한 입력 전압 조건에서도 안정적인 출력을 제공할 수 있어, 전원 공급 환경이 변동적일 때 유리하지만 내부 회로가 복잡하며 빠른 스위칭 동작으로 인한 전자파 간섭(EMI)이나 스위칭 노이즈가 발생할 수 있으므로, 민감한 아날로그 회로에 직접 사용하기에는 추가적인 필터링이나 차폐가 필요할 수 있다고 설명했다.

노일 상무는 이 두 전원 관리 방식의 선택은 결국 애플리케이션의 요구사항에 따라 달라진다고 강조했다.

정밀한 전압 공급이 필요하고 노이즈에 민감한 경우에는 리니어 레귤레이터를, 그리고 전력 효율이 가장 중요한 애플리케이션이나 입력 전압의 변동이 큰 경우에는 컨버터를 선택하는 것이 바람직하다고 말했다.

■ 전압 강하시 벅 컨버터, 저전압을 높여야 하는 경우 부스트 컨버터

이어 전원 관리 컨버터를 설명하면서, 두 가지 주요 스위칭 방식인 벅 컨버터(Buck Converter)와 부스트 컨버터(Boost Converter)의 특성과 그에 따른 설계상의 고려할 점을 강조했다.

벅 컨버터에 대해 노일 상무는 벅 컨버터가 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 제공하는 ‘강압형’ 스위칭 전원 공급 방식임을 설명했다.

이 방식은 고속으로 스위칭해 출력 전압을 안정적으로 낮추는 동시에, 에너지 효율을 크게 개선할 수 있다는 장점이 있다.

다만 그러한 고속 스위칭 동작으로 인해 발생할 수 있는 전자파 간섭(EMI)이나 스위칭 노이즈가 문제 될 수 있으므로, 적절한 필터링과 PCB 레이아웃 설계가 필수적이라는 점을 강조했다.

부스트 컨버터에 대해서는 입력 전압보다 높은 출력 전압을 얻기 위한 ‘강승형’ 스위칭 전원 공급 방식이라며 부스트 컨버터가 낮은 입력 전압을 상승시켜, 필요한 높은 출력 전압을 제공할 수 있다는 점에서 효율성이 뛰어나다고 설명했다.

반면에 부스트 컨버터 역시 스위칭 과정에서 발생할 수 있는 노이즈와 EMI 문제, 그리고 출력 전압 상승에 따른 설계상의 어려움이 동반되기 때문에, 이러한 문제들을 해결하기 위한 추가 회로 구성이나 필터링 기술이 필요하다고 덧붙였다.

양자 선택에 대해서는 노일 상무는 두 컨버터의 선택은 애플리케이션의 요구 조건에 따라 달라진다고 설명했다.

전압 강하가 필요한 경우(즉, 고전압 → 저전압 변환)에는 벅 컨버터가 적합하며, 반대로 저전압을 높여야 할 때(저전압 → 고전압 변환)에는 부스트 컨버터가 더 유리하다고 말했다.

또한 각각의 방식은 높은 효율을 제공하지만, 그 과정에서 발생하는 노이즈 관리와 EMI 억제, 회로의 복잡성 등 다양한 요소를 함께 고려해야 한다고 강조했다.

■ PCB, 고속 스위칭 영역과 민감한 아날로그 회로가 서로 간섭 없어야

마지막으로 PCB 레이아웃의 중요성과 최적화에 관해서도 설명했다.

노일 상무는 PCB 레이아웃 설계가 단순히 부품을 배치하는 문제가 아니라, 전체 시스템의 성능과 신뢰도에 직결되는 핵심 요소임을 강조했다.

주요 핵심들을 살펴보면 EMI 저감과 신호 무결성 PCB 레이아웃은 스위칭 전원 공급 장치에서 발생할 수 있는 고주파 노이즈와 전자파 간섭(EMI)을 최소화하는 데 중요한 역할을 한다.

노일 상무는 회로 내 고속 스위칭 영역과 민감한 아날로그 회로가 서로 간섭하지 않도록, 신호 선로와 전원/그라운드 트레이스의 배치를 세밀하게 최적화해야 한다고 말했다.

예를 들어 회로의 루프 영역을 최소화하거나, 전용 그라운드 플레인을 활용해 노이즈를 차단하는 등의 방법이 필요하다고 강조했다.

열 관리와 전력 배분 효율 리니어 레귤레이터나 스위칭 컨버터 모두 열 발생 문제가 있을 수 있는데, PCB 설계에서는 이러한 열을 효과적으로 분산시킬 수 있는 레이아웃이 필수적이다.

이와 관련해 노일 상무는 부품 간 적절한 간격 유지와 열 경로 설계를 통해 열 집중을 방지하고, 전원 분배 네트워크를 최적화해 전체 시스템의 효율을 높여야 한다고 설명했다.

PCB 내에서 소규모 출력 필터, 디커플링 커패시터, 인덕터 등의 부품은 전력 품질과 안정성에 큰 영향을 미친다.

노일 상무는 이런 부품들의 배치를 신중하게 계획해야 하며, 특히 고속 스위칭 회로 주변에 적절한 필터링과 차폐 구조를 적용하여, 파라사이트 인덕턴스나 캡시턴스 같은 부정적인 요소를 줄이는 것이 중요하다고 언급했다.

설계 도구와 시뮬레이션의 활용 PCB 레이아웃 최적화는 단순히 경험이나 직관에 의존해서는 한계가 있다.

이에 전문 CAD 도구와 전자기 시뮬레이션 프로그램을 활용해 설계 초기 단계에서부터 잠재적인 이슈를 예측하고, 반복적인 검증 과정을 통해 최상의 레이아웃을 도출해 낼 필요가 있다고 강조했다.

전체 시스템과의 통합 고려 PCB 레이아웃은 개별 회로뿐만 아니라 시스템 전반과도 밀접한 관계가 있기 때문에, 다른 전원 관리 방식(예: 리니어 레귤레이터, 벅/부스트 컨버터 등)과 같이 사용될 때의 상호 작용, 데이터 신호 및 전력 신호 간의 간섭을 종합적으로 고려해 설계돼야 한다고 말했다.

또한 전체 시스템의 신뢰성과 효율성을 높이기 위해, PCB 설계가 단순 부품 배치를 넘어 시스템의 ‘보이지 않는’ 요소까지 최적화돼야 한다고 말했다.

마지막으로 노일 상무는 “ADI는 고객사의 설계 문제를 해결하는 데 있어 차별화된 기술 지원을 제공하며, 앞으로도 최신 기술을 기반으로 효율적인 전원 회로 설계를 위한 솔루션을 지속적으로 선보일 것”이라고 말했다.

한편 이번 웨비나의 재방송은 https://www.e4ds.com/webinar_detail.asp?idx=925 에서 시청할 수 있다.