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2020.04.22 DC/DC

그라운드

DC/DC 컨버터의 기판 레이아웃

이번에는 그라운드 배선의 레이아웃에 대해 설명하겠습니다. 그라운드 배선은 대부분의 부품에 각각 필요한 배선이므로, 레이아웃 시에는 고려할 점이 많습니다. 또한, DC/DC 컨버터 회로의 경우, 제어 회로에 연결되는 출력전압의 귀환 등의 신호계와 대전류를 스위칭하는 스위치 (파워)계의 분리가 중요하며, 이는 그라운드 배선에서도 마찬가지입니다.

아날로그 소신호 그라운드와 파워 그라운드

그라운드는 전위로서는 동일하지만, 아날로그 신호와 디지털 신호가 혼재하는 회로 (오늘날 대부분이 그러함)에서는 아날로그 그라운드와 디지털 그라운드를 분리하여, 디지털 신호로 인한 노이즈가 미세한 아날로그 신호에 전달되지 않도록 하는 방법이 사용됩니다. 스위칭 전원 회로 (DC/DC 컨버터에 한정되지 않음)에 있어서도 개념은 동일합니다. 예를 들어 라인의 전압치가 직접적으로 출력 정밀도로 이어지는 귀환 경로는 스위칭 노드에 발생하는 노이즈의 영향을 최소한으로 억제하는 등의 배려가 필요합니다.

호칭은 여러가지가 있지만, 본 편에서는 귀환 경로와 같은 노이즈에 민감한 라인에 관련된 그라운드를 아날로그 소신호 그라운드 (AGND), 스위칭 노드 등 큰 전류가 스위칭하는 라인에 관련된 그라운드를 파워 그라운드 (PGND)라고 하겠습니다.

가장 중요한 것은, AGND와 PGND는 분리되어 있어야 한다는 점입니다. 동일한 전위이며, 최종적으로는 접속되지만, 스위칭에 의해 큰 전류가 리턴하는 GND와, 제어 신호의 GND를 분리하여 간섭을 방지하는 것입니다.

다음으로, PGND는 기본적으로 Top Layer에 1줄로 레이아웃합니다 (Figure 8의 왼쪽). 그러나, 부품 배치 등의 관계로 인해 어쩔 수 없이 1줄로 배치할 수 없는 경우가 있습니다. 그러한 경우에, PGND를 분리하여 비아를 통해 이면이나 내층을 이용하여 접속하면 (Figure 8의 오른쪽), 비아의 저항 및 인덕턴스의 영향으로, 손실 증가 및 노이즈 악화의 가능성이 있으므로, 실제 기기에서 충분히 검증하여 주십시오.

d4_9_fig8.gif

  • AGND와 PGND는 분리해야 한다.
  • PGND는 분리하지 말고, Top Layer에 레이아웃하는 것이 기본이다.
  • PGND를 분리하여 비아를 통해 이면으로 접속하면, 비아의 저항 및 인덕터의 영향으로 손실 및 노이즈가 악화된다.

GND Plane

GND Plane은 어느 정도의 면적을 가진 GND 배선을 뜻합니다. 이면 및 내층에 GND Plane을 배치하는 것은 기본적으로 DC 손실의 경감, 실드, 방열이 목적이며, GND로서는 어디까지나 보조적인 역할을 하는 것입니다.

다층 기판에서 내층 및 이면에 GND Plane을 배치하는 경우는, 고주파 스위칭 노이즈가 많은 입력이나 다이오드의 PGND와의 접속에 주의를 기울일 필요가 있습니다. Figure 9와 같이, 3rd Layer에 커먼 그라운드, 4th Layer에 신호 그라운드가 있을 경우, 이러한 그라운드와 PGND의 접속은 고주파 스위칭 노이즈가 적은 출력 콘덴서 부근의 PGND로 접속합니다. 노이즈가 많은 입력이나 다이오드 부근의 PGND로 접속해서는 안됩니다.

2nd Layer에 DC 손실 경감을 위한 PGND Plane이 있는 경우, Top Layer의 PGND와 2nd Layer를 다수의 비아로 접속하여, PGND의 임피던스를 작게 할 필요가 있습니다.

d4_9_fig9.gif

  • 다층 기판에서 내층 및 이면에 GND Plane을 배치하는 경우에는, 고주파 스위칭 노이즈가 많은 입력이나 다이오드의 PGND와의 접속에 주의해야 한다.
  • Top Layer의 PGND와 내층 PGND Plane의 접속은, DC 손실 경감을 위해 다수의 비아로 접속하여 임피던스를 낮춘다.
  • 커먼 그라운드 및 신호 그라운드와 PGND의 접속은, 고주파 스위칭 노이즈가 적은 출력 콘덴서 부근의 PGND로 접속하고, 노이즈가 많은 입력이나 다이오드 부근의 PGND로 접속해서는 안된다.

대부분의 DC/DC 컨버터 IC가 AGND (SGND)와 PGND의 2가지 GND 단자를 구비하고 있는 것은 이미 알고 계실 것입니다. 이는 동일한 이유에서 IC 내부에서도 신호계와 스위치 (파워)계가 분리되어 있기 때문입니다. 또한, 동일한 전위일 필요가 있으므로, 최종적으로는 접속합니다. IC의 AGND와 PGND는 1포인트에서 접속하는 것이 중요합니다. 최적의 포인트는 데이터 시트의 레이아웃 정보 등을 참조하여 주십시오.

키 포인트

・AGND와 PGND는 분리해야 하며, PGND는 분리하지 말고 Top Layer에 레이아웃하는 것이 기본이다.

・PGND를 분리하여 비아를 통해 이면으로 접속하면, 비아의 저항 및 인덕터의 영향으로 인해 손실 및 노이즈가 악화된다.

・커먼 그라운드나 신호 그라운드와 PGND의 접속은 스위칭 노이즈가 적은 출력 콘덴서 부근의 PGND에서 실시한다.

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