AC /DC 전원 공급 장치, 즉 AC/DC 컨버터는 가전제품, 산업, 로봇공학, 의료 및 군사용 애플리케이션을 포함한 많은 전자 애플리케이션의 필수적인 구성 요소입니다.
현재 점점 더 낮아지는 전원 공급 전압(특히 고도로 통합된 디지털 장치의 경우), 작은 크기, 가벼운 무게, 높은 효율성을 추구하는 추세에서는 PCB에서부터 시작하여 전원 공급 회로를 정확하게 설계해야 합니다.
오늘날, 서로 다른 전기적 특성과 성능을 가진 5개 이상의 개별 전원 레일이 필요한 전자 애플리케이션을 찾는 것은 매우 일반적입니다. 이러한 요구 사항은 올바른 작동, 신뢰성 및 수명이 의존하는 전자 장치의 첫 번째 구성 요소인 전원 공급 장치의 설계를 복잡하게 만듭니다.
이 글에서는 엔지니어가 AC/DC 전원 공급 PCB를 설계할 때 직면하는 주요 문제, 예를 들어 신호 무결성, 전력선 무결성, 전자기 간섭, 출력 전압 안정성, 열 관리 등을 살펴봅니다. 이 글에서 제안한 몇 가지 간단한 지침을 따르면 설계자는 이러한 유형의 문제를 예상하여 PCB 설계에 부정적인 영향을 미치지 않도록 할 수 있습니다.
AC/DC 전원 공급 장치 유형
설계자가 프로젝트 요구 사항에 가장 적합한 AC/DC 전원 공급 장치를 선택해야 할 때 다음을 포함한 다양한 주요 요소를 고려해야 합니다.
- 유형(맞춤형 또는 통합형): 개별 구성 요소만을 기반으로 하는 설계 또는 통합 레귤레이터/컨버터(IC) 기반 설계
- 기술: 선형 또는 스위칭
- 전기적 특성: 입력 전압 범위, 출력 전압 유형(고정 또는 가변, 단일 또는 다중 출력), 출력 전력, 효율 등
- 기계적 특성: 개방형 프레임 또는 폐쇄형, 크기, 무게, 냉각 시스템 등.
첫 번째 요점과 관련하여, 많은 경우 최상의 솔루션은 통합 장치를 사용하는 것이라고 말할 수 있습니다. 통합 장치는 프로젝트 단순화, BOM 및 출시 시간 단축, 통합 보호 및 진단 기능의 가용성을 포함한 다양한 이점을 제공합니다. 그러나 일부 고전력, RF 또는 틈새 시장 애플리케이션의 경우 개별 전력 장치만을 기반으로 하는 설계가 필요할 수 있습니다.
사용되는 기술과 관련해서 선형 또는 스위칭 전원 공급 장치(SMPS라고도 함, Switched Mode Power Supply의 약자) 중에서 선택하는 것은 특정 애플리케이션의 요구 사항에 따라 달라집니다.
선형은 가장 오래되었지만 오래되지 않은 변환 기술로 간주될 수 있습니다. 선형 AC/DC 전원 공급 장치는 효율성이 제한적이고 그에 따른 열 형태의 전력 손실과 같은 몇 가지 단점이 있지만, 높은 신뢰성, 낮은 노이즈, 빠른 복구 및 반응 시간, 무시할 수 있는 복사 방출이 필요한 응용 분야에서 여전히 성공적으로 사용되고 있습니다.
선형 전원 공급 장치의 중요한 클래스는 LDO(Low DropOut) 레귤레이터로 표현됩니다. LDO의 효율성을 극대화하려면 입력 전압과 조절된 출력 전압 간의 차이를 최소화해야 합니다. 또한 열 저항이 낮은 레귤레이터를 선택하여 최적 작동 온도 이상으로 빠르게 과열되는 것을 방지하는 것이 좋습니다.
스위칭 전원 공급 장치(그림 1 참조)는 AC에서 DC 전압으로 변환하기 위한 기준 표준으로 자리 잡았습니다. 이 유형의 변환은 비선형이며 일반적으로 폐쇄 루프에서 작동합니다. 즉, 피드백 신호를 사용하여 조절을 유지합니다. 스위칭 레귤레이터는 효율과 조절 품질 측면에서 더 바람직하지만, 여러 장치가 포함되고 그 중 일부는 대형 수동 소자(인덕터 및 커패시터)를 가지고 있으며 잘못 배치하면 노이즈 문제가 발생할 수 있으므로 설계가 복잡할 수 있습니다.
SMPS 전원 공급 장치는 더 복잡한 설계가 필요하지만 최고의 선형 전원 공급 장치를 능가하는 매우 높은 수준의 효율성을 보장합니다. 이를 통해 더 나은 열 관리가 가능합니다. 그러나 고주파에서 스위칭하는 구성 요소가 있으면 상당한 수준의 전자기 노이즈가 발생합니다. 이 EMI는 전기 신호의 품질에 영향을 미쳐 잠재적인 오작동을 일으키거나 일부 구성 요소를 손상시킬 수 있습니다. 이러한 이유로 선형 기술은 전기 의료 응용 분야와 실험실 계측에서 선호되는 경향이 있습니다.
레이아웃 및 라우팅
AC/DC 전원 공급 PCB에서 레이아웃은 전자기 간섭 내성, 신호 및 전원 무결성, 전원 공급 효율성, 열 관리, 그리고 동일한 장치 안정성에 직접적인 영향을 미치므로 기본적인 역할을 합니다.
또한, 좋은 레이아웃은 전력 변환의 효율성을 높이고, 가장 뜨거운 구성 요소에서 열을 끌어내고, 소음 수준을 줄입니다. 전도성 트레이스의 적절한 크기는 이런 의미에서 중요한 요소로, 생성되는 열의 양을 줄이고 모든 부하 조건에서 PCB의 신뢰성을 높입니다. 부적절한 레이아웃은 높은 전류 또는 입력 및 출력 전압 간의 큰 차이로 인해 발생하는 문제를 일으킬 수 있습니다.
간단하지만 유효한 라우팅 규칙은 다음과 같습니다.
- 전원 장치를 연결하려면 가능한 한 짧고 직선적인 트레이스를 사용하십시오.
- PCB의 특정 지점에 전기장을 집중시킬 수 있으므로 트레이스 내부에 곡선이나 날카로운 모서리를 삽입하지 마십시오.
- 전압 차이가 큰 트레이스는 적절히 분리되어야 합니다.
- PCB의 가장 안쪽 층에 고전압 트레이스를 배치하지 마십시오. 또한 가장 안쪽 층에서는 트레이스 간 거리를 늘리는 것이 좋습니다.
- 특히 스위칭 유형인 경우 민감하거나 높은 데이터 전송 속도 신호를 전달하는 트레이스를 전원 트레이스 및 레귤레이터에서 멀리 배치하십시오.
- 다층 PCB의 경우 민감한 신호가 있는 트레이스는 전력선이 포함된 층과 (아마도 고체인) 접지 층으로 분리된 층에 배치해야 합니다.
- 잡음이나 간섭을 일으킬 수 있는 신호 결합을 피하기 위해 신호 트레이스는 별도의 레이어에 배치된 전원 트레이스와 평행하게 배치해서는 안 됩니다. 신호 트레이스는 가능하면 잡음 결합의 영향을 줄이기 위해 전원 공급 트레이스와 90° 각도로 교차해야 합니다(그림 2 참조)
- 가장 바깥쪽 층에 높은 전류 트레이스를 배치합니다. 이것이 가능하지 않으면 비아를 사용하여 여러 층을 함께 연결합니다. 더 높은 전류의 경우 여러 비아를 사용해야 할 수 있습니다. 14밀 직경 비아는 최대 2A의 전류를 허용하고 40밀 이상의 직경 비아는 최대 5A의 전류를 허용합니다.
접지면의 경우 단단하고 끊기지 않는 영역이나 큰 다각형을 사용합니다. 이러한 영역은 노이즈를 분산시킬 수 있고 높은 귀환 전류를 처리할 수 있는 저임피던스 경로를 제공합니다. 또한 중요한 구성 요소에서 열을 분산시킬 수 있는 경로도 제공합니다. 양쪽에 접지면을 배치하면 방사 EMI를 흡수하고 접지 루프 노이즈와 오류를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
전자파
AC/DC 컨버터는 안전 및 전자파 간섭 측면에서 정확한 규정을 준수하도록 설계되었습니다. 이와 관련하여 표준에서 설정한 요구 사항을 충족할 수 있는 적절한 EMI 필터를 삽입해야 할 수 있습니다.
가능한 몇 가지 조치는 다음과 같습니다.
- 추가 필터 없이 초기 테스트를 수행하여 EMI로 인해 발생하는 효과를 평가합니다.
- 가장 많은 문제를 일으키는 주파수를 식별하세요
- 전력선과 민감한 신호를 최대한 멀리 떨어뜨려 추적 경로에 따라 작업합니다.
- 접지 루프 제거
- 최후의 수단으로, AC/DC 전원 공급 장치의 AC 입력과 직렬로 유도 소자를 추가하여 외부 필터를 설계합니다.
PCB 내부의 레이어 구성 및 배열에 의해 결정되는 PCB의 PCB 스택업은 EMC 측면에서 보드 성능에 중요한 요소입니다. 사실, 잘 설계된 스택업은 폐쇄 경로에서 방출되는 방사선(차동 모드 방출)과 이에 연결된 케이블에서 생성되는 방사선(공통 모드 방출)을 모두 줄일 수 있습니다.
충분한 전자기 차폐를 제공하고 노이즈와 크로스토크에 대한 면역성을 높이려면 사용 가능한 공간이 허락한다면 PCB 스택업에 적어도 하나의 솔리드 접지면을 도입하는 것이 항상 좋은 생각입니다. 공간 제한으로 인해 전체 레이어를 예약할 수 없는 경우 PCB의 전원 공급 장치 구성 요소의 전체 표면을 덮는 최소 영역으로 제한할 수 있습니다.
구성요소의 배치
PCB에 가장 먼저 배치되는 부품은 대전류를 전달하는 부품이므로 가장 넓은 트레이스가 필요합니다.
전원 공급 장치 PCB를 구성하는 구성 요소는 서로 최대한 가깝게 배치해야 하며, 트레이스 길이를 줄이도록 적절한 방향을 설정해야 합니다. 또한, 관련 트레이스는 가능한 한 짧아야 한다는 점을 명심해야 합니다.
IC 컨버터는 트레이스 길이 제한으로 인해 전력선을 공급하는 장치에 최대한 가깝게 배치해야 합니다.
구성 요소를 배치할 때는 열 완화도 고려해야 하며, 전원 공급 장치의 냉각이 충분하고 최적의 위치에 우선 순위를 두어야 합니다. 권장 사항은 컨버터 집적 회로와 같은 전원 공급 장치의 필수 부품부터 시작하여 입력 커패시터와 인덕터로 내려가고, 그 다음 출력 커패시터로 내려가는 것입니다.
높은 스위칭 전류(즉, 높은 di/dt 값을 갖는 루프)가 교차하는 루프는 전압 피크를 일으킬 수 있는 분산 인덕턴스를 줄이기 위해 가능한 한 좁고 컴팩트하게 만들어야 합니다. 경험에 따르면 전류 분배 및 복귀 경로를 서로 위에 두거나 서로 인접하게 유지하여 루프가 형성되는 면적을 최소화하고 전자기 간섭 발생을 줄이는 것이 좋습니다.
아날로그 제어 구성 요소는 공간 절약적이고 얇은 트랙이 필요하기 때문에 마지막에 배치해야 합니다. 이를 처리하는 한 가지 방법은 기능별로 하위 그룹을 만들고 그룹별로 연결하는 것입니다.
MOSFET , 정류기, 전해 커패시터, 인덕터, 커넥터 와 같은 모든 부피가 큰 구성 요소는 납땜 중에 떨어지거나 움직이지 않도록 보드의 윗면에 놓아야 합니다. 보드의 아랫면에는 표면 장력으로 보드에 부착되고 기계 납땜 작업 중에 움직이지 않는 가장 작은 구성 요소만 있어야 합니다.
바이패스 커패시터는 디커플링 커패시터라고도 하며, IC 및 논리 장치와 같이 약간의 진동이 논리 상태의 변화로 오인될 수 있는 가장 섬세한 구성 요소를 보호하는 데 사용됩니다. 이러한 커패시터는 접지에 연결하고 IC의 전원 포트에 가능한 한 가깝게 배치해야 합니다.
열 발산
전원 공급 PCB는 모든 전원 공급 회로가 열을 생성하는 경향이 있으므로 적절한 열 관리가 가능하도록 설계하는 것이 일반적입니다. 따라야 할 첫 번째 규칙은 열을 생성하는 구성 요소(IC 레귤레이터, MOSFET 등)를 열에 민감한 구성 요소와 분리하는 동시에 연결을 가능한 한 짧고 직선으로 유지하는 것입니다.
그런 다음, 이 금속의 높은 열전도도를 고려하면, 열 발산 영역을 제공하기 위해 구리 영역을 더 광범위하게 사용하는 것을 고려할 수 있습니다. 이러한 구리로 덮인 섹션은 열을 핫스팟에서 더 나은 열 전달이 있는 위치로 이동하여 열을 더 균등하게 분배하는 데 도움이 되며, 궁극적으로 열 발산을 개선할 수 있습니다.
가장 뜨거운 구성 요소 아래에 열 비아와 단단한 구리 영역을 사용하는 것은 열을 해당 구성 요소에서 빠르게 전달하는 또 다른 효과적인 방법입니다. 목표는 보드에 핫 스팟이 형성되는 것을 방지하여 가장 중요한 구성 요소를 손상시키지 않고 열이 빠르게 소산되도록 하는 것입니다.
전원 구성 요소에 방열판을 사용하고(그림 3 참조) 결국 강제 환기와 같은 능동적 냉각 솔루션을 도입하는 것은 레이아웃이 양호한 열 관리를 보장하기에 충분하지 않은 경우 도입할 수 있습니다. 이러한 옵션은 전적으로 애플리케이션에 따라 달라지며, 어떤 상황에서는 팬이 없는 전원 공급 장치가 일반적으로 신뢰성과 소음 억제의 이유로 더 선호되는 경향이 있다는 점을 명심하십시오.
