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2022.03.09 DC/DC

승압 DC/DC 컨버터의 기판 레이아웃 : 정리

승압 DC/DC 컨버터의 기판 레이아웃

지금까지 11회에 걸쳐, 승압 DC/DC 컨버터의 기판 레이아웃에 대해 설명했습니다. 본 편을 마지막으로 최종 정리하도록 하겠습니다.

승압 DC/DC 컨버터의 기판 레이아웃

기판 레이아웃 설계의 중요성

키 포인트

・스위칭 전원 설계 시, 실장 기판의 레이아웃 설계는 회로 설계와 마찬가지로 중요하다.

・본 테마에서는 승압 DC/DC 컨버터의 기판 레이아웃에 대해 설명할 예정이다.

승압 DC/DC 컨버터의 전류 경로

키 포인트

・기판 레이아웃 설계 시, 회로의 전류 경로와 흐르는 전류의 성질을 이해하는 것은 매우 중요하다. (승압 DC/DC 컨버터에만 국한되지 않음)

・스위칭 MOSFET의 ON 시와 OFF 시 전류의 차분은, 기판 레이아웃에 있어서 매우 중요하므로, 최대한 주의를 기울여야 한다.

실장 기판 레이아웃 순서

키 포인트

・기판 레이아웃은 회로의 전류 경로와 흐르는 전류의 성질을 바탕으로 설계한다.

입력 콘덴서의 배치

키 포인트

・CIBYPASS는 반드시 IC를 실장하는 면과 동일한 면에 배치하고, 가능한 IC의 입력 단자에 가깝게 배치한다.

・CIBYPASS의 배치가 적절한 경우, CIN은 IC에서 2cm 정도 떨어져 있어도 무방하다. 또한, 이면 배치도 가능하다.

・대전류 공급과 고주파 스위칭 전류에 대한 고속 응답을 모두 확보할 수 있으면, CIN과 CIBYPASS를 1개의 세라믹 콘덴서로 겸용하여 사용할 수 있다.

출력 콘덴서와 프리휠 다이오드의 배치

키 포인트

・출력전류가 작을 경우 출력 콘덴서의 용량은 비교적 작아도 무방하므로, 세라믹 콘덴서 1개로 출력 콘덴서와 고주파용 디커플링 콘덴서를 겸용으로 사용할 수 있다.

・프리휠 다이오드는 IC 및 출력 콘덴서와 동일한 면에서 가깝게 배치한다.

・다이오드와 스위칭 MOSFET가 접속하는 노드의 배선이 길어지면, 배선 인덕턴스로 인해 발생되는 고주파 스파이크 노이즈가 출력에 중첩된다.

・스파이크 노이즈에 대한 대처 방법으로 스너버 회로를 이용할 수 있지만, 손실이 발생하므로 주의가 필요하다.

인덕터의 배치

키 포인트

・인덕터는 스위칭 MOSFET Q2에 가깝게 배치하고, 배선의 동박 면적을 필요 이상으로 넓게 설정해서는 안된다.

・배선 폭을 결정하는 지침으로서, 전류 내량을 참고하고 마진을 고려하여 배선 폭을 선택한다.

・인덕터 바로 밑에 그라운드 층을 배치해서는 안된다. 그라운드 이외의 신호선도 피해야 한다.

・어쩔 수 없이 인덕터 바로 밑에 배선하는 경우에는, 자력선의 누설이 작은 폐자로 구조의 인덕터를 사용한다.

・인덕터 단자간 거리를 가깝게 배치해서는 안된다.

서멀 비아의 배치

키 포인트

・기판 실장만으로는 방열이 불충분한 경우, 서멀 비아를 통해 열을 기판의 반대쪽으로 전도시켜 열 저항을 저감시킨다.

・서멀 비아는 열 전도율을 높이기 위해 도금 충전 가능한 내경 0.3mm 정도의 작은 비아를 권장한다.

・Hole의 직경이 너무 크면, 리플로 솔더링 (reflow soldering) 공정에서 솔더 유입 문제가 발생하게 된다.

・서멀 비아의 간격은 1.2mm 정도로 하고, IC의 패키지 이면 방열판 바로 밑에 배치한다.

・IC 이면 방열판의 바로 밑에 배치하는 것만으로 방열이 부족한 경우에는, IC 주변에도 서멀 비아를 배치한다.

・IC 이면 방열판이 그라운드 전위인 경우, 넓은 동박 패턴을 설정해도 EMI에 악영향을 미치지 않는다.

귀환 경로의 배선

키 포인트

・귀환 경로 배선은 임피던스가 높아 노이즈가 유입되기 쉽다.

・귀환 경로 배선에 노이즈가 유입되면, 출력전압에 오차가 발생하거나, 동작이 불안정해지는 경우가 있다.

・귀환 경로의 배선 시에는 본문에 기재한 4가지 포인트에 주의한다.

그라운드

키 포인트

・AGND와 PGND는 분리해야 한다.

・PGND는 분리하지 말고, Top Layer에 레이아웃하는 것이 기본이다.

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

・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.

동기정류 타입의 레이아웃

키 포인트

・기판 레이아웃의 포인트는 다이오드 정류 타입과 동기정류 타입 모두 기본적으로 동일하다.

동박의 저항과 인덕턴스

키 포인트

・동박의 저항은 전압 강하로 나타나고, 온도 의존성이 있다.

・동박의 인덕턴스는 경우에 따라 고전압을 발생시키므로 주의해야 한다.

・인덕턴스의 저감을 위해서는, 배선을 짧게 하는 것이 효과적이다.

코너 배선과 노이즈의 관계

키 포인트

・코너 배선은 원호 (円弧)와 같은 형태로 하여 배선 임피던스의 변화를 저감하고, 노이즈 발생을 억제한다.

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