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기기 수준의 기능과 패키지 옵션을 통한 자동차 설계의 EMI 최소화

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글/Zach Imm(제품 마케팅 관리자), Sam Jaffe(Wide-VIN 벅 컨버터 및 컨트롤러 애플리케이션 엔지니어)

자동차 시스템이 진화함에 따라 더 많은 전력이 필요한 애플리케이션 수 역시 계속해서 늘어나고 있다. 더 높은 전력의 시스템을 설계하는 엔지니어는 저전압 강하(LDO) 레귤레이터에서 효율성과 열 성능이 향상된 DC/DC 벅 컨버터로 전환하는 경우가 많다. 하지만 DC/DC 벅 컨버터가 LDO 레귤레이터보다 전자기간섭(EMI)이 훨씬 높기 때문에 이러한 전환에는 몇몇 해결해야 하는 과제가 있다.

EMI는 AM/FM 라디오 수신기와 운전 보조 센서 등의 민감한 부품에 영향을 미칠 수 있고 높은 EMI는 실제로 제대로 된 시스템 작동을 저하하거나 방해도 할 수 있다. 그렇기 때문에 CISPR(Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) 25 클래스 5와 같은 공식 표준 규격을 통해 내연기관이 탑재된 차량과 선박의 EMI 제한을 설정한다.

보드 레이아웃 제한 문제를 극복하는 방법

EMI를 완화하는 가장 쉬운 방법 하나는 올바른 인쇄회로기판(PCB) 설계에 있으며, 벅 컨버터의 경우 가장 중요한 고려사항은 아래와 같다.

• 높은 과도 전압(dv/dt) 노드의 표면적 감소

• 높은 과도 전류(di/dt) 루프의 루프 면적 감소

특정한 부품을 제대로 배치하면 EMI를 최소화하는 데 도움이 될 수 있음을 의미한다. 하지만 보드의 크기나 형태가 특정한 부품 배치를 제한할 수 있으며 보드 교체에 들어가는 시간과 비용이 과도할 수 있다. 이러한 제약에도 불구하고 애플리케이션에서 CISPR 25 클래스 5 EMI 제한을 준수해야 한다면 어떤 방법으로 해결해야 할까?

EMI를 고려한 레이아웃 최적화가 불가능할 경우 EMI 최적화된 레이아웃을 택하지 못할 때는 레이아웃에 구애받지 않는 패키지와 기기 수준의 기능 개선을 갖춘 DC/DC 컨버터를 통해 EMI를 완화할 수 있다.

EMI를 준수하는 기기 수준의 기능

확산 스펙트럼은 스위칭 주파수를 디더링하여 스위치 노드로 유발된 EMI의 고조파 피크를 확산하는 기능이다. 더 높은 고조파 피크의 에너지를 확산하면 높고 급격한 방출이 낮고 완만한 방출로 바뀌며, 그 결과 EMI 방출 제한을 고려해야 하는 설계에 필요한 필터링 및 최적화 정도가 감소한다.

회전율 제어는 고압측 전계 효과 트랜지스터(FET)의 시작 시간을 줄여주며, 따라서 고주파 고조파의 에너지가 절감된다. 부트 커패시터와 직렬로 소형 저항을 추가하거나 이 기능이 내장된 기기의 전용 RBOOT 핀에서 부트 저항을 사용하기만 하면 된다. 하지만 FET의 회전 속도를 늦추면 EMI는 개선되는 반면 효율은 떨어진다.

EMI 준수 패키지

EMI를 억제하는 데 도움이 될 수 있는 패키지 수준의 기능에는 내부 본드 와이어가 없는TI의 HotRod™ 플립칩 온 리드프레임 패키지가 있다(그림 1 참조). 입력 커패시터의 불연속 전류가 흐르는 높은 di/dt 루프의 경로에서 유도 본드 와이어를 제거하면 입력 루프 인덕턴스의 중요한 공급원이 없어지고 앞서 언급한 주요 고려사항 중 하나(높은 di/dt 루프의 면적 감소)를 만족할 수 있다.

또 다른 패키지 수준의 기능은 중요한 경로에 대칭 핀아웃을 사용하는 것이다. DC/DC 벅 컨버터(LMR33630-Q1, LMR36015-Q1, LM61460-Q1, LMQ61460-Q1)는 중앙에 스위치 노드 핀이 있고 양쪽에 PGND와 VIN이 있다. 이러한 대칭은 전계 봉쇄를 개선하고 근처 회로와의 커플링을 줄이는 자기장을 만들어낸다.

[그림 1] 표준 와이어 본드 QFN(쿼드 플랫 무연) 패키지와 HotRod 패키지의 단면

통합 입력 커패시터

기기 수준에서 EMI를 더욱 완화하기 위해 LMQ61460 -Q1과 같은 제품은 패키지 내부의 입력 커패시터를 통합한다. 그림 2(a)는 이러한 커패시터가 오른쪽 상단 및 하단의 핀 쌍인 VIN 및 PGND를 가로지르는 어두운 직사각형임을 나타낸다(핀아웃은 그림 2(b)를 참조). 패키지 내부에 입력 커패시터를 포함시키면 기생 인덕턴스, 링잉, 고주파 EMI가 감소하면서 두 번째 고려사항을 다시 만족시키게 된다. 입력 전압이 높아지고 출력 전류가 높아지는 등의 자동차 애플리케이션에서 흔히 볼 수 있는 조건에서는 고주파 범위의 문제가 심화될 수 있기 때문에 고주파 EMI가 특히 중요하다.

EMI는 자동차 애플리케이션에 영향을 줄 수 있다. 보드 레이아웃에 제약이 있음에도 불구하고 설계를 개선하고 EMI 방출 제한을 안심하고 준수할 수 있도록 기기 수준의 기능과 최신 패키지 유형이 신뢰할 수 있는 EMI 완화 기법을 적용할 수 있는 대안이 있다.

(a)                                  (b)

[그림 2] 통합 커패시터가 있는 LMQ61460-Q1의 X선 이미지 (a), LMQ61460-Q1 핀아웃 (b)

기타 리소스

• 패키지가 EMI에 미치는 영향에 대한 자세한 내용은 트레이닝 비디오 ‘HotRod 패키징을 통해 EMI 감소 및 솔루션 크기 축소’에서 확인할 수 있다.

• 아날로그 디자인 학술지의 기고문 ‘유도성 기생을 최소화하여 벅 컨버턴 EMI 및 전압 응력 축소’을 참고할 수 있다.

• EMI 방출 제한을 충족하기 위한 자동차 설계 최적화에 대한 자세한 내용은 애플리케이션 보고서 ‘자동차 벅 컨버터 애플리케이션의 전도 EMI 감소’에서 확인할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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