스위칭 노드의 링잉 (ringing)

DC-DC 컨버터의 기판 레이아웃을 검토하기 전에, 실제로 프린트 기판에는 기생 용량 및 인덕턴스가 존재한다는 사실을 이해해야 합니다. 이로 인한 영향은 생각보다 큽니다. 회로에는 문제가 없지만 레이아웃으로 인해 정상적으로 동작하지 않는 경우가 있으며, 이러한 경우는 대부분 기생 용량 및 인덕턴스에 대한 고려가 부족하기 때문입니다. 이번 편에서는 「스위칭 노드의 링잉 (ringing)」에 대해, 그 요인을 검증해 보겠습니다. 실제로 배선 패턴을 작성할 때에는, 기생 성분 등에 대한 대책이 곳곳에서 필요하게 됩니다.

이번 테마에서는 하기 사항에 대해 차례대로 설명하고 있습니다. 각 항목을 이해하기 위해서는 전후의 항목의 내용도 참조해야 합니다.

실제의 회로 모델과 스위칭 노드의 링잉

하기 그림은, 동기정류 타입의 강압 DC-DC 컨버터 회로에 대해, 기생 용량 및 인덕턴스를 나타낸 것입니다. 청색의 C와 L이 이에 해당합니다. 실제 회로에는 프린트 기판의 기생 용량 및 인덕턴스가 존재하여, 스위치 ON / OFF 시에 그림과 같은 고주파의 링잉이 발생합니다.

프린트 배선의 인덕턴스는 1mm 당 1nH 정도입니다. 즉, 배선이 불필요하게 길면 배선 인덕턴스가 높아집니다. 또한, 스위칭용 MOSFET의 Rise time (t_r) 및 Fall time (t_f)은 일반적으로 수 ns입니다. 기생 성분으로 인해 발생하는 전압과 전류는 하기 식으로 계산할 수 있습니다.

참고로, 10nH는 약 10mm입니다. 짧은 거리처럼 느껴지지만, 전류가 클 경우 큰 전압이 발생한다는 것을 알 수 있습니다.

링잉의 주파수 대역은 f＝1/시간으로 계산할 수 있습니다. t_r과 t_f가 5ns일 경우 주기는 10ns이므로, 주파수 대역은 100MHz가 됩니다. 일반적인 스위칭 주파수는 500kHz~1MHz가 많으므로, 그 100~200배인 고주파가 발생한 것입니다.

그럼, 이 회로 모델의 기생 성분으로 인해, 어떤 전류가 흐르는지에 대해 설명하겠습니다. 하기 그림은 High-side MOSFET ON 시입니다. 기생 용량 C₂가 충전되고, 기생 인덕턴스 L₁~L₅에 에너지가 축적되어, 스위칭 노드의 전압이 V_IN과 같아질 때 L₁~L₅에 축적된 에너지가 C₂와 공진을 일으켜, 큰 링잉이 발생합니다.

다음 그림은, High-side MOSFET OFF 시입니다. 마찬가지로 기생 용량 C₂가 충전되고, 기생 인덕턴스 L₁~L₅에 에너지가 축적되어, 스위칭 노드의 전압이 거의 GND 레벨에 가까워지면, L₁~L₅에 축적된 에너지가 C₁과 공진을 일으켜, 큰 링잉이 발생합니다. 기생 인덕턴스에 축적된 에너지와 공진 주파수는 하기 오른쪽 식으로 계산할 수 있습니다.

인덕턴스 L₄는 C_BYPASS의 특성에 따라 결정됩니다. 또한, L₃과 L₅는 기판 레이아웃에 따라 크게 달라집니다. 이 회로는 스위칭 트랜지스터가 외장일 때의 예이며, 스위칭 트랜지스터가 내장된 IC를 사용하는 경우에는 L₁, L₂, C₂는 그 IC에 의존하여 기판 레이아웃과는 관계없이 고정치가 됩니다.

이와 같이 실제의 프린트 기판에는, 회로도에 없는 성분이 존재합니다. 따라서 스위칭 노드의 경우, 레이아웃이 적합하지 않으면 스위칭에 따라 큰 링잉이 발생하여, 정상 동작하지 않거나 노이즈가 많이 발생하는 등의 원인이 되는 경우가 있습니다. 기판 레이아웃 시 자주 언급되는 「배선은 짧게」의 이유에 대해서 이해가 가셨으리라 생각됩니다. 다음 편에서는 구체적인 배치 및 배선 작성 방법에 대해 설명하겠습니다.