정확도와 정밀도를 높이고 시스템 잡음을 최소화하는 것은 클록, 데이터 컨버터 또는 증폭기를 사용하는 의료 애플리케이션, 테스트 및 측정, 무선 인프라를 위한 잡음에 민감한 시스템을 위한 전원 공급 장치를 설계하는 엔지니어들이 흔히 마주하는 과제다. "잡음"이라는 용어는 사람마다 다른 의미를 가질 수 있지만, 이 글에서는 회로의 저항기와 트랜지스터에 의해 생성되는 저주파 열 잡음으로 잡음을 정의하겠다.
잡음은 제곱 루트 헤르츠당 마이크로볼트 단위의 스펙트럼 잡음 밀도 곡선을 통해 식별 가능하며, 보통 10Hz~100kHz에 걸친 루트 평균 제곱 마이크로볼트의 통합 출력 잡음으로 식별된다. 전원공급장치의 잡음은 아날로그-디지털 컨버터의 성능을 저하시킬 수 있으며, 클록 지터를 야기할 수 있다.
클록, 데이터 컨버터 또는 증폭기에 전원을 공급하는 전통적인 설정은 그림 1과 같이 페라이트 비드 필터를 사용하는 TPS7A94, TPS7A82, TPS7A84, TPS7A52, TPS7A53, TPS7A54 등의 저손실 레귤레이터(LDO)를 활용하는 DC/DC 컨버터(또는 모듈)를 위해 사용된다. 이러한 설계 접근 방식은 전원공급장치의 잡음과 리플을 모두 최소화하고, 약 2A 미만의 부하 전류에서는 잘 작동합니다. 하지만 부하가 증가함에 따라 LDO의 전력 손실로 인해 효율성 및 열 관리 문제가 발생한다. 예를 들어, 사후 조정 LDO는 일반적인 아날로그 프론트 엔드 애플리케이션에서 1.5W의 전력 손실을 추가할 수 있다. 그럼 저잡음과 효율성을 구현할 방법이 없는 걸까? 그렇지 않다.
그림 1: DC/DC 컨버터, LDO 및 페라이트 비드 필터를 사용하는
일반적인 저잡음 아키텍처
LDO 대신 저잡음 벅 컨버터 또는 모듈 사용하기
전력 손실을 확인하는 한 가지 방법은 LDO를 통한 손실을 최소화하는 것이다. 하지만 이 접근 방식은 잡음 성능에 부정적인 영향을 미친다. 또, 고전류 LDO는 일반적으로 크기가 더 커서 설계 풋프린트와 비용을 높일 수 있다. 전력 손실을 제어하면서 낮은 잡음을 보장하는 더 효과적인 방법은 설계에서 LDO를 완전히 제거하고 그림 2 와 같이 저잡음 DC/DC 벅 컨버터 또는 모듈을 사용하는 것이다.
그림 2: LDO 없이 저잡음 벅 컨버터 사용하기
무슨 생각을 하고 있는지 안다. 잡음을 줄여주는 주요 장치를 제거하는데, 어떻게 저잡음을 제공할 수 있을까? 대다수의 LDO에는 오류 증폭기로 들어가는 잡음을 최소화하기 위해 밴드갭 레퍼런스에 저역 필터를 갖추고 있다.
저잡음 벅 컨버터의 TPS62912 및 TPS62913 제품군과 TPSM82912 및 TPSM82913 모듈은 커패시터 연결을 위한 잡음 감소/소프트 시작 핀을 구현하여 그림 3 과 같이 통합 RF 및 외부에서 연결된 CNR/SS,를 사용하여 저역 저항-커패시터 필터를 구성한다. 이 구현 방식은 기본적으로 LDO에 탑재된 밴드갭 저역 필터의 동작을 모방한다. TPS62913 또는 TPSM82913이 제공할 수 있는 것보다 낮은 잡음이 필요한 경우, TPS7A94와 같은 저잡음 LDO를 사용해 저손실, 낮은 전력 손실을 얻는 동시에 매우 낮은 잡음을 얻을 수 있다. 이에 대한 자세한 내용은 애플리케이션 브리프 SBVA099를 참조하기 바란다.
그림 3: 밴드갭 잡음 필터를 지원하는 저잡음 벅 컨버터의 블록 다이어그램
출력 전압 리플은?
모든 DC/DC 컨버터는 스위칭 주파수에서 출력 전압 리플을 생성한다. 잡음에 민감한 정밀 시스템의 아날로그 레일은 스펙트럼의 주파수 스퍼를 최소화하기 위해 최저 공급 전압 리플이 필요하다. 이는 일반적으로 DC/DC 컨버터의 스위칭 주파수, 인덕터 값, 출력 커패시턴스, 등가 직렬 저항 및 등가 직렬 인덕턴스에 따라 달라진다. 이러한 부품들로 리플을 완화하기 위해 LDO 및/또는 작은 페라이트 비드와 커패시터를 사용하여 부하 리플을 최소화하는 PI 필터를 생성하는 경우가 많다. TPS62912 및 TPS62913 및 TPSM82913 모듈과 같은 저리플 벅 컨버터는 페라이트 비드 보상 및 원격 감지 피드백을 통합하여 이 페라이트 비드 필터를 활용한다. 페라이트 비드의 인덕턴스를 추가 출력 커패시터와 함께 사용하면 그림 4 와 같이 출력 전압 리플의 고주파 구성 요소를 제거하고 리플을 약 30dB 줄일 수 있다.
그림 4: 페라이트 비드 필터 이전(a) 및
페라이트 비드 필터 이후(b)의 출력 전압 리플
결론
저잡음 벅 컨버터는 시스템 노이즈와 리플을 완화하는 기능을 통합함으로써 엔지니어가 LDO 없이 저잡음 전원 공급 장치 솔루션을 달성할 수 있게 도와준다. 물론 애플리케이션마다 요구되는 잡음 수준은 다르며, 출력 전압에 따른 성능 또한 다를 수 있기 때문에 여러분의 설계에 가장 적합한 저잡음 아키텍처는 여러분이 가장 잘 판단할 것이라 믿는다. 하지만, 잡음에 민감한 아날로그 전원 공급 장치 설계를 간소화하고, 전력 손실을 줄이고, 전체 설계 풋프린트를 줄이고자 한다면 저잡음 벅 컨버터를 사용하는 것을 고려해 보시기 바란다.
참고자료
- 애플리케이션 노트 읽어보기:
- DC/DC 컨버터 사용 시 출력 전압 리플 기여도에 대한 자세한 내용은 기술 원고 “벅 레귤레이터 출력 리플의 이해 및 관리"를 참조.
- TPS62912과 TPS62913으로 잡음과 리플을 줄이는 방법은 아래 트레이닝 영상 참고:
- 벅 컨버터에서 출력 전압 리플을 줄일 수 있는 다른 방법이 궁금하다면, 아래 기술백서 참고:
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