[기고] 성공적인 애플리케이션 보드를 위한 멀티레일 전원 공급장치 설계-2부: 레이아웃 팁

2021-10-06
글/ 칭 만(Ching Man) FAE, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

이 글은 2부로 구성된 시리즈의 첫 번째 부분으로 멀티레일 전원 공급장치를 설계할 때 때때로 간과하는 몇 가지 문제를 다룬다. 1부에서는 전략과 토폴로지를 중점적으로 다루었고, 2부에서는 전력 예산 책정과 보드 레이아웃의 구체적인 사항과 함께 몇 가지 요령을 소개한다. 이번 2부에서는 설계와 시뮬레이션 이후의 (c) 단계인 전력 예산 계산 및 보드 레이아웃에 대해 설명한다.




진화하는 시대, 엔지니어의 과제

전원 공급장치 설계는 (a) 설계 전략과 IC 선택, (b) 스키매틱 설계, 시뮬레이션, 테스트, (c) 배치/배선의 세 단계로 이루어진다. (a) 설계와 (b) 시뮬레이션 단계에서는 구상하는 설계가 얼마나 유효할지 검증할 수 있으며, 실제 테스트는 모든 부품을 조립한 후에 할 수 있다.

이 시리즈 기사는 멀티레일 전원 공급장치를 설계할 때 간과하지 말아야 할 문제들을 다룬다. 1부에서는 (a) 단계인 설계 전략과 토폴로지에 대해 살펴보았으며, 이번 2부에서는 설계와 시뮬레이션 이후의 (c) 단계인 전력 예산 계산 및 보드 레이아웃에 대해 설명한다. 설계와 시뮬레이션을 위해 아나로그디바이스(Analog Devices)는 LTpowerPlanner®, LTpowerCad®, LTspice®, LTpowerPlay®를 비롯한 여러 유용한 툴들을 제공한다.

크기, 정확도, 효율과 관련해서 충분한 여유를 확보하고 생산 시에 문제가 불거지지 않는 견고한 설계를 달성하기 위해서는 전원 공급장치 설계 시 신중한 레이아웃과 배선이 중요하다. 여기에는 다년간의 실무 경험이 도움이 될 수 있으므로 최종 보드 완성 단계에서는 풍부한 경험과 전문성을 보유한 레이아웃 엔지니어로부터 조언을 구하는 것이 좋다.

신중한 설계의 중요성

회로도 상으로는 설계가 제 아무리 견고해 보이고 시뮬레이션에서도 별 문제가 나타나지 않는다 하더라도, 실제 테스트를 위해서는 레이아웃과 PCB 제작을 하고, 실제 회로를 올려서 프로토타입 스트레스 테스트를 실시해야 한다. 그러면 나중에 문제가 불거지지 않도록 설계를 잘 하려면 어떻게 해야 할지 실제 설계 사례를 통해 알아보자.

몇 가지 중요한 컨셉트들은 나중에 설계를 변경해야 하거나 PCB를 다시 제작해야 하는 상황을 막는 데 도움이 된다. 그림 1은 신중한 테스트 및 헤드룸 분석 없이 제품 생산에 들어갔을 때 비용이 어떻게 급격히 증가하는지 보여준다.



전력 예산 계산


특히 경계해야 하는 경우가 보통의 조건에서는 잘 작동하는데 최대 속도로 실행하면 잘못된 데이터가 발생될 수 있는 시스템이다(잡음과 간섭 문제는 배제한다고 가정했을 때).



스테이지들이 연쇄적으로 이어지는 설계에서는 전류 제한에 맞닥뜨리지 않도록 주의해야 한다. 그림 2는 이러한 캐스케이드 애플리케이션을 보여주는 것으로서, (a)에서는 ADP5304 벅 레귤레이터(PSU1)가 최대 500mA 전류로 3.3V 전원을 제공한다. 효율을 위해, 입력으로 들어오는 5V 전원을 3.3V 레일로 변환한다. 이 3.3V 출력을 사용해서 PSU2(LT1965)로 전원을 공급한다. 그러면 이 LDO 레귤레이터가 다시 1.1A의 최대 출력 전류로 2.5V로 레귤레이트해서 보드 상의 2.5V 회로와 IC들에 전원을 공급한다.

하지만 이 시스템에는 몇 가지 고전적인 문제들이 숨어 있다. 이 시스템은 정상 조건에서는 잘 작동하지만 시스템을 초기화하고, 예를 들어서 마이크로프로세서와 ADC가 고속으로 샘플링할 때처럼 최대 성능으로 실행될 때는 문제가 발생할 수 있다. 어떤 레귤레이터도 입력으로 제공되는 것보다 더 높은 출력 전력을 제공할 수는 없다.

그림 2a의 경우, VOUT1에서 최대 전력(P = V x I)은 3.3V × 0.5A = 1.65W이고, 이 전력을 사용해서 VOUT1과 VOUT2를 지원해야 한다. 이는 효율을 100%로 간주한 것으로서, 실제 손실을 감안하면 이용할 수 있는 전력은 이보다 더 낮아진다. 그런데 2.5V 레일에 예상되는 최대 전력은 2.75W이다. 그러므로 이러한 최대 수준의 전력이 필요해지면 PSU1이 전류 제한에 도달하고 오동작이 발생할 것이다. PSU1으로 인해서 전류가 제한되거나, 혹은 더 심한 경우에는 어느 쪽 레귤레이터든 과전류로 인해서 완전히 셧다운 되는 상황이 일어날 수 있다.

그림 2a의 문제를 해결하기 위해서는 더 높은 전력이 가능한 레귤레이터로 교체해야 한다. 가장 좋은 상황은 더 높은 전류로 핀-대-핀(pin-to-pin) 호환이 가능한 것이고, 최악의 경우는 PCB를 완전히 다시 설계하고 다시 제작해야 하는 경우다. 그러므로 사전에 전력 예산을 염두에 두고 설계를 한다면 프로젝트 일정이 지연되는 것을 방지할 수 있다.

그러려면 레귤레이터를 선택하기에 앞서 실제 전력 예산부터 계산해야 한다. 이 계산에는 2.5V, 3.3V, 5V를 비롯해서 회로 상에서 필요한 모든 전원 레일을 반영해야 한다. 또한 각 레일에서 전력을 소모하는 모든 풀업 저항, 디스크리트 디바이스, IC들도 포함시켜야 한다. 이 값들을 사용해서 그림 2b에서 보듯이 거꾸로 되짚어 가면서 자신의 설계에 필요한 전력 요구량을 계산할 수 있다.
LTpowerPlanner(그림 3) 같은 전원 트리 시스템 설계 툴을 사용하면 전원 트리를 손쉽게 생성하고 필요한 전력 예산을 계산할 수 있다.

레이아웃, 트래킹, 배선

부적절한 트랙 폭, 부적절한 비아, 불충분한 핀(커넥터) 수, 부적절한 접점 크기 등으로 인해서 트랙 번아웃이 발생해서 전류 용량 제한에 도달하는 문제를 피하기 위해서는 레이아웃과 트래킹, 배선을 잘 해야 한다. 다음에서는 이와 관련한 몇 가지 PCB 설계 팁을 소개한다.



▶ 커넥터와 핀 헤더


그림 2의 사례에서 총 전류를 17A로 확장하고자 한다면, 설계자는 핀의 전류 취급 용량을 고려해야 한다. 핀 또는 접점의 전류 취급 용량은 핀의 물리적 크기(접점 면적), 금속 성분 등 다양한 요인들에 따라 달라진다. 직경이 1.1mm인 통상적인 쓰루홀 메일 헤더 핀은 약 3A이다1. 따라서 17A가 필요하다면 이와 같은 총 전류 용량을 취급하기에 충분한 핀들을 확보해야 한다. 이를 위해서는 도체(접점)당 전류 취급 용량을 곱하고 안전을 위해 약간의 여유분을 더한 것이 PCB 회로의 총 전류 소모를 넘도록 계산하면 된다.

그림 2의 사례에서, 17A를 달성하기 위해서는 6개의 핀이 필요하다(1A의 여유분 포함). VCC와 GND 양쪽을 위해서는 총 12개 핀이 필요하다. 접점의 수를 줄이기 위해서는 파워 잭이나 크기가 더 큰 접점을 사용하는 것을 고려할 수 있다.

▶ 트랙

온라인에서 제공되는 PCB 툴들을 사용해서 레이아웃 상의 전류 용량을 계산할 수 있다. 1.27mm의 트랙 폭을 가진 1온스의 구리 PCB는 전류 취급 용량이 약 3A이며, 3mm의 트랙 폭이면 약 5A의 전류 취급 용량에 해당한다. 그러므로 여유분까지 감안해서 20A 트랙을 위해서는 19mm(약 20mm)의 폭이 필요하다(온도 상승에 따른 영향은 배제한다고 했을 때). 그런데 그림 4에서는 PSU와 시스템 회로에 사용되는 공간이 제한적이라서 20mm 트랙 폭이 현실적으로 가능하지 않다.



이 문제를 해결하기 위한 손쉬운 해결책은 다중의 PCB 레이어를 사용하는 것이다. 트랙 폭을 예를 들어 3mm로 줄이고 PCB 상의 모든 가능한 레이어들에 이 트랙을 복제하면 결합된 총 트랙들(모든 레이어에서)이 최소한 20A의 전류 용량 요구를 충족하게 할 수 있다.

▶ 비아와 스티칭

그림 5는 비아들을 통해서 레귤레이터로부터 PCB 전원 플레인들을 스티칭하는 것을 보여준다. 만약 1A 비아를 선택했는데 전력 요구량이 2A라면, 트랙 폭이 2A를 취급할 수 있어야 하며, 비아 스티칭도 이 용량을 처리할 수 있어야 한다.



그림 5의 사례에서는 전류를 전원 플레인으로 스티칭하기 위해서 최소한 2개의 비아가 필요하다(공간적으로 가능하다면 3개가 더 바람직). 1개의 비아만을 사용한 스티칭을 할 경우, 비아가 퓨즈로서 작용해서 이 퓨즈가 끊어지면 인접 플레인에 전원이 차단될 수가 있다. 비아가 부품들에 가려져 있을 때는 문제가 발생하더라도 문제를 알아채기도 어렵고 해결하기도 어렵다.

비아 및 PCB 트랙과 관련해서 다양한 요인들이 영향을 미칠 수 있다. PCB 도금, 배선 레이어, 동작 온도 같은 요인들에 따라서 트랙 폭, 비아 홀 크기, 전기적 파라미터가 달라질 수 있으며, 그에 따라 최종적인 전류 취급 용량이 영향을 받을 수 있다. 앞서 열거한 PCB 설계 도움말들은 이러한 영향들에 대해서는 언급하고 있지 않는데, 실제 레이아웃 파라미터와 관련해서는 설계자가 이러한 요인들까지도 고려해야 한다. 온라인 상에서 다양한 PCB 트랙/비아 계산 툴들이 제공된다. 회로도 설계 후에는 이러한 요인들과 관련해서 PCB 제조회사나 레이아웃 엔지니어들에게 조언을 구할 것을 권한다.

과열 방지

인클로저나 에어플로우 같은 다양한 요인들이 열 문제를 일으킬 수 있다. 노출 패들도 열 문제와 관련해서 중요한 역할을 한다. LTC3533, ADP5304, ADP2386, ADP5054 같이 노출 패들을 적용한 레귤레이터 제품은 보드 상에 적절하게 탑재될 경우 열 저항을 낮출 수 있다. 대체로 다이 상에 파워 MOSFET을 통합한 레귤레이터 IC(모놀리식 제품)는 열 발산을 위해서 노출 패드를 적용하곤 한다. 이와 달리 컨버터 IC가 외부 파워 MOSFET을 사용해서 동작하는 경우에는 열을 발생하는 주된 요인(전력 MOSFET)이 IC 바깥에 있기 때문에 제어 IC에 노출 패드를 적용할 필요가 없다.

이러한 노출 패드는 PCB 접지 플레인 상에 솔더링하는 것이 효과적이다. 다만 IC에 따라서 예외가 있을 수 있다. 어떤 레귤레이터 제품들은 열 발생을 줄이고자 노출 패드가 히트 싱크 기능을 하도록 절연 솔더 PCB 영역에 연결할 수 있다고 표기하기도 한다. 이 같은 정보는 데이터 시트의 해당 부분을 확인해 보면 확실히 알 수 있다.

이러한 노출 패드를 PCB 플레인이나 절연 영역으로 연결할 때 열 전달을 높이기 위해서 비아들을 접지 플레인에 스티칭하도록 한다. 특히 다중 레이어 PCB에서 패들 하단부의 모든 필요한 접지 플레인들은 비아를 통해서 스티칭할 것을 권한다. 보다 자세한 정보는 “열 설계의 기초” 튜토리얼 MT-0932, AN136 “비절연형 스위칭 전원 공급장치를 설계할 때 PCB 레이아웃 고려사항”3, AN139 “전원 공급장치 레이아웃과 EMI”4에서 확인할 수 있다.

앞서 노출 패드에 관한 설명은 레귤레이터에 관한 것이다. 다른 IC 제품은 노출 패드를 다루는 것이 이와는 전혀 다를 수 있다. 노출 패드 사용에 관한 추가적인 논의를 위해서는 아나로그디바이스의 엔지니어 온라인 커뮤니티인 엔지니어 존{EngineerZone}5에 접속해서 문의할 수 있다.

맺음말

전원 공급장치를 잡음이 충분히 낮으면서 시스템 회로 상에 트랙 또는 비아 번아웃 같은 문제를 일으키지 않도록 설계하는 것은 비용, 효율, 성능, PCB 면적 측면에서 쉽지 않은 작업이다. 이 글에서는 모든 하위 부하들을 지원하기 위해서 필요한 전원 트리를 작성하고 전력 예산을 계산하는 것을 비롯해서, 설계 엔지니어가 전원 공급장치를 설계할 때 간과하지 말아야 할 문제들을 살펴보았다.

회로도 설계와 시뮬레이션은 설계의 첫 번째 단계이며, 그 다음에는 부품들을 신중하게 배치하고 배선해야 한다. 비아, 트랙, 전류 취급 용량 같은 것들이 요구 조건을 충족하도록 설계해야 한다. 인터페이스 상에서 스위칭 잡음이 발생하거나 IC의 전원 핀들로 전달되면 시스템 회로가 오작동을 일으킬 수 있으며 문제를 잡아내고 해결하기 어려울 수 있다.
 

참고문헌
1. 61302221121 header pin. Wu¨rth Elektronik.
2. MT-093 Tutorial: “Thermal Design Basics.” Analog Devices, Inc., 2009.
3. Application Note 136: “PCB Layout Considerations for Nonisolated Switching Power Supplies.” Linear Technology, June 2012.
4. Application Note 139: “Power Supply Layout and EMI.” Linear Technology, October 2012.
5. AD8045 Exposed Paddle Connection. EngineerZone, January 2011.
LTM4700. Analog Devices, Inc., October 2018.
Power Management Tools. Analog Devices, Inc.


저자 소개
칭 만(Ching Man)은 아일랜드 리머릭에 있는 유럽 CAC(Centralized Applications Centre)의 선임 애플리케이션 엔지니어이다. 애플리케이션, 하드웨어 시스템 및 ASIC 설계 분야에서 27년 이상의 경험을 갖고 있다. 2007년에 아나로그디바이스에 합류하여 유럽의 광범위한 시장을 위한 고속 ADC, DAC, 3D ToF 이미징, LiDAR 및 소프트웨어 정의 라디오(SDR)에 대한 기술 설계 지원을 맡고 있다. 영국 런던 웨스트민스터 대학에서 1991년과 1993년에 각각 전자공학 학사학위(우등)와 VLSI 및 디지털 신호 처리 시스템 석사학위를 받았다.

칭 만은 아나로그디바이스의 원고뿐 아니라 IEEE, IET, 일렉트로니카에 논문, 튜토리얼, 세미나 및 회의 논문을 게재하고 발표했다. 1998년에 공인 엔지니어(C.Eng.) 자격증을 취득했으며, 현재 IET(Institution of Engineering and Technology) 펠로우이다. 그는 시스템, ASIC 및 알고리즘 아키텍처, 신호 처리 및 잡음 저감 기법, 아쿠아마린 광섬유 음파 센서 시스템 설계, 애플리케이션 및 배포 등 다양한 연구와 왕성한 활동을 펴나가고 있다. 문의: ching.man@analog.com.

 

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