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2020.03.25 DC/DC

인덕터의 배치

DC/DC 컨버터의 기판 레이아웃

지난 편에서는 「서멀 비아 (Thermal via)의 배치」라는 주제로, 기판과 구조를 이용한 방열에 대해 설명했습니다. 이번에는 부품에 대한 주제로 돌아가, 「인덕터의 배치」에 대해 설명하겠습니다.

인덕터

먼저 레이아웃에 관련된 인덕터의 특성에 대해 간단히 복습하겠습니다.

인덕터에 전류가 흐르면 자력선 (磁力線)이 발생합니다. 이 자력선이 도체, PCB의 경우에는 동박을 통과하면, 그 부분에 과전류가 발생합니다. 즉, 인덕터 근처에 도체가 있으면, 과전류로 인해 문제가 발생하는 경우가 있습니다. 과전류가 자력선을 상쇄하는 방향으로 흐르므로 인덕턴스가 감소하거나, Q가 저하 (손실이 증가)됩니다. 참고로 Q란 인덕터의 손실량을 나타내는 파라미터의 일종으로, 「Q가 크다=손실이 적다」는 것을 나타냅니다. 그 밖에도 인덕터 근처의 동박이 신호선인 경우는, 과전류로 인해 신호에 노이즈가 전달되는 경우가 있어, 회로 동작에 악영향을 미칠 가능성이 있습니다.

또한, 인덕터는 발열하는 부품입니다. 인덕터에 전류가 흐르면, 권선의 저항 성분과 기타 손실로 인해 발열합니다. 인덕터가 고온이 되면 부재의 열화 이외에도, 페라이트 코어의 경우에는 퀴리 온도 (Curie temperature)를 넘으면 인덕턴스가 급격하게 감소합니다. 기준으로서 전류 정격 및 저항치의 SPEC이 제시되어 있으므로, 실장에 있어서는 방열을 고려할 필요가 있습니다.

이러한 내용을 염두에 두고 하기 포인트를 확인하여 주십시오.

인덕터의 배치

인덕터는 스위칭 노드로부터의 복사 노이즈를 최소한으로 억제하기 위해, 입력 콘덴서만큼은 아니더라도, 가능한 IC에 가깝게 배치하여 주십시오.

배선 저항의 저감과 방열을 위해 동박 면적을 너무 넓게 잡으면, 동박이 안테나의 역할을 하는 경우가 있어 EMI가 증가하므로, 동박 면적을 필요 이상으로 넓게 해서는 안됩니다.

Figure 6-a는 EMI의 관점에서 배선 면적을 고려한 레이아웃, Figure 6-b는 필요 이상으로 배선을 넓게 배치하여 좋지 않은 레이아웃입니다.

구체적인 배선 폭을 결정하기 위해서는 전류 내량을 하나의 기준으로 삼을 수 있습니다. Figure 5는 일정 전류가 흐를 때의 도체 폭과 자기 발열로 인한 온도 상승에 대한 그래프입니다.

예를 들어 2A의 전류를 도체 두께 35µm의 배선에 흘릴 경우, 20℃의 온도 상승으로 억제하기 위해서는 0.53mm의 도체 폭으로 대응할 수 있습니다. 단, 배선은 주변 부품의 발열이나 주위 온도의 영향을 받으므로, 충분한 마진을 둘 필요가 있습니다. 예를 들어 1온스 (35µm) 기판에서는 1A 당 1mm 폭 이상, 2온스 (70µm) 기판에서는 1A 당 0.7mm 폭 이상을 권장합니다.

인덕터 주변 배선의 경우, 인덕터의 바로 밑에 GND 층을 배치해서는 안됩니다 (Figure 6-c). 앞서 설명한 바와 같이 자력선이 도체인 GND 층을 통과하여 과전류가 발생하므로, 자력선의 상쇄 효과로 인해 인덕터 값의 저하 및 Q의 저하 (손실 증가)가 발생합니다.

GND 이외의 신호선에서도 과전류로 인해 신호에 스위칭 노이즈가 전달될 가능성이 있으므로, 인덕터 바로 밑에는 배선을 하지 말아주십시오. 어쩔수 없이 신호선을 배선해야 하는 경우에는 자력선의 누설이 작은 폐자로 (閉磁路) 구조의 인덕터를 사용하여 주십시오. 단, 문제가 발생하지 않는지에 대해서는 실측을 통해 반드시 확인하여 주십시오.

또한, 인덕터 단자의 배선간 스페이스에도 주의해야 합니다. Figure 6-d와 같이 단자의 배선간 거리가 가까우면, 스위칭 노드의 고주파 신호가 부유 용량을 통해 출력으로 용량 유도됩니다.

인덕터에 한정된 내용은 아니지만, 부품의 배치 및 배선에는 제약이 발생하는 경우가 많습니다. 그러나, 반드시 지켜야 하는 포인트는 확실하게 레이아웃 설계에 반영하는 것이 매우 중요합니다. 이상적인 배치가 불가능한 경우에는 반드시 실측을 통해 문제의 유무를 확인하여 주십시오.

키 포인트

・인덕터는 가능한 IC에 가깝게 배치한다.

・동박 면적을 필요 이상으로 넓게 배치하지 않는다.

・인덕터 바로 밑에 GND 층을 배치해서는 안된다. 신호선의 배치도 최대한 피한다.

・인덕터 단자의 배선을 너무 가깝게 배치하지 않는다.

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