DC-DC｜설계편

강압 컨버터 동작 시의 전류 경로

2022.10.19

키 포인트

・기판 레이아웃 (설계)에 있어서, 강압 컨버터의 전류 경로를 이해하는 것은 중요하다.

・스위칭 레귤레이터의 스위칭 동작으로 인한 전류의 급격한 ON / OFF는, 적절한 레이아웃을 통해 대처하지 않으면 회로 동작 및 기타 부분에 있어서 악영향을 초래하게 된다.

DC/DC 컨버터의 기판 레이아웃 작성 시, 고려해야 하는 점과 그 이유에 대해 이해하기 위해, 강압 컨버터 동작 시의 전류 경로에 대해 알아둘 필요가 있습니다.
스위칭 레귤레이터는 아날로그 회로이기는 하지만, 선형 동작이 중심인 회로와는 달리, 전류와 전압이 스위칭 즉 ON / OFF합니다. 기판 레이아웃은 어떤 노드, 어떤 라인에 어떤 성질의 전압이 부가되어, 어떤 전류가 흐르는 지를 고려하여, 최적의 경로를 설계하는 작업입니다.

이번 편에서는 그 출발점이 되는 「강압 컨버터 동작 시의 전류 경로」에 대해 설명하겠습니다. 그리고, 하기 항목을 바탕으로 내용을 다루어 나가고자 합니다.

강압 컨버터 동작 시의 전류 경로

오른쪽 회로도는 다이오드 정류 또는 비동기 정류라고 불리우는 강압 DC/DC 컨버터 IC와 그 외장 회로입니다. BOOT 단자에 연결된 콘덴서는 내장 Nch-MOSFET를 구동하기 위한 Bootstrap용입니다. 또한, COMP 단자에 연결된 저항과 콘덴서는 위상보상용 부품입니다. 이러한 단자는 IC에 따라 존재하지 않는 것도 있습니다. 다른 단자 및 부품은 기본적인 단자와 필요한 외장 부품입니다.

Figure 1-a의 적색 라인은 스위치 Q₁ ON 시에 흐르는 주요 전류와 경로, 그리고 방향을 나타냅니다. C_BYPASS는 고주파용 디커플링 콘덴서이며, C_IN은 대용량 콘덴서입니다.

스위치 Q₁이 ON되는 순간 급격하게 전류가 흐르며, 그 대부분은 C_BYPASS에서 공급되고, 다음으로 C_IN에서 공급됩니다. 완만한 변화의 전류는 입력전원에서 공급됩니다.

Figure 1-b의 적색 라인은 스위치 Q₁ OFF 시의 전류 경로입니다. 다이오드 D₁이 ON되어, 인덕터 L에 축적된 에너지가 출력측으로 방출됩니다.

강압 컨버터는 출력에 인덕터가 직렬로 삽입되어 있으므로, 출력 콘덴서의 전류는 변동하지만, 완만합니다.

Figure 1-a. 스위칭 소자 Q₁ ON 시의 전류 경로

Figure 1-b. 스위칭 소자 Q₁ OFF 시의 전류 경로

Figure 1-c. 전류의 차분, 레이아웃 상에서의 중요 포인트

Figure 1-c의 적색 라인은, Figure 1-a와 1-b의 차분을 나타냅니다. 스위치 Q₁이 OFF에서 ON으로, ON에서 OFF로 전환될 때 적색 라인의 전류는 급격하게 변화합니다. 이러한 시스템은 변화가 급격하므로, 고조파를 많이 포함한 전류 파형이 됩니다.

이러한 차분은 중요 포인트로서, PCB 레이아웃에서는 최대한 주의를 기울일 필요가 있습니다.

종합적으로는 동기정류 타입이거나, 스위칭 트랜지스터가 외장일 경우에도 모두 동일하게 흐릅니다. 앞으로의 설명에 있어서, 이러한 전류의 흐름이 전제가 되므로, 본 편에서 설명한 전류 경로를 확실히 이해해야 합니다.

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