클록, 데이터 컨버터 또는 증폭기와 같은 테스트 및 계측과 무선 애플리케이션을 위한 잡음에 민감한 시스템의 전원공급장치를 설계하는 엔지니어에게 공통적인 과제가 있다. 바로, 잡음을 최소화하는 것이다. 본고에서는 잡음을 회로의 저항과 트랜지스터에 의해 발생하는 저주파 열 잡음에 대해 소개한다.

잡음은 일반적으로 μV/√Hz로 표시하는 스펙트럼 잡음 밀도 곡선을 통해 식별하거나, 100Hz~100kHz의 특정 범위에서 µVrms의 통합 출력 잡음으로 확인할 수 있다. 전원 공급장치에서 잡음은 아날로그-디지털 컨버터의 성능을 저하시키고, 클록 지터를 유입할 수 있다.

클록, 데이터 컨버터 또는 증폭기에 전력을 공급하는 전통적인 구성은 DC/DC 컨버터와 TPS7A52, TPS7A53 또는 TPS7A54 같은 저전압 강하 레귤레이터(LDO)에 이어 페라이트 비드 필터를 사용하는 것이다(그림 1 참조). 이 설계 방법은 전원공급장치의 잡음과 리플을 모두 최소화하고, 약 2A 미만의 부하 전류에는 잘 들어맞는다. 그러나 부하가 증가하면 LDO의 전력 손실이 효율과 열 관리 문제를 발생시킨다. 예를 들어, 포스트 레귤레이션 LDO는 일반적인 아날로그 프론트엔드 애플리케이션에서 1.5W의 전력 손실을 추가할 수 있다. 설계 과정에서 저잡음과 효율 모두를 충족시키는 것이 어렵다고 생각할 수 있지만, 몇 가지 방법이 있다.
 

LDO 대신 저잡음 벅 컨버터 사용

전력 손실을 억제하는 한 가지 방법은 LDO를 통한 전압강하를 최소화하는 것이다. 그러나 이 방법은 잡음 성능에 부정적인 영향을 미친다. 또 고전류 LDO는 보통 크기가 커서 설계 풋프린트와 비용을 증가시킬 수 있다. 전력 손실을 제어하면서 낮은 잡음을 보장하는 보다 효과적인 방법은 설계에서 LDO를 완전히 제거하고, 저잡음 DC/DC 벅 컨버터를 사용하는 것이다(그림 2 참조).

잡음을 감소시키는 기본 디바이스를 제거하면서 어떻게 여전히 저잡음 전원을 제공할 수 있을까? 많은 LDO는 밴드갭 레퍼런스에 저역 통과 필터를 포함하고 있어 오차 증폭기에 들어가는 잡음을 최소화한다. TPS62912 및 TPS 62913 저잡음 벅 컨버터 제품군은 커패시터를 연결하는 잡음 감소/소프트 스타트 핀을 구현함으로써 통합 Rf와 외부에 연결된 CNR/SS를 사용하여 저역 통과 저항 커패시터 필터를 구성한다(그림 3 참조). 이 구현은 기본적으로 LDO에 있는 밴드갭 저역 통과 필터의 동작을 모방한 것이다.

출력전압 리플은 어떻게 될까?

모든 DC/DC 컨버터는 스위칭 주파수에서 출력전압 리플을 발생시킨다. 정밀 시스템에서 잡음에 민감한 아날로그 레일은 스펙트럼에서 주파수 스퓨리어스를 최소화하기 위해 최저 전원 잡음 리플을 필요로 한다. 주파수 스퓨리어스는 일반적으로 DC/DC 컨버터의 스위칭 주파수, 인덕터 값, 출력 커패시턴스, 등가 직렬 저항 및 등가 직렬 인덕턴스에 의해 결정된다. 이러한 구성요소에서 발생하는 리플을 완화하기 위해 엔지니어는 종종 LDO 또는 소형 페라이트 비드와 커패시터를 사용하여 파이 필터를 생성함으로써 부하의 리플을 최소화한다. TPS62912 및 TPS62913과 같은 낮은 리플 벅 컨버터는 페라이트 비드 보상 기능과 원격 감지 피드백을 통합하여 이러한 페라이트 비드 필터를 이용한다. 추가적인 출력 커패시터와 함께 페라이트 비드의 인덕턴스를 사용하면 출력전압 리플에서 고주파 성분을 제거하고, 약 30dB의 리플을 감소시킬 수 있다(그림 4 참조).

맺음말

저잡음 벅 컨버터는 시스템 잡음과 리플을 완화하는 기능을 통합함으로써 엔지니어가 LDO 필요 없이 저잡음 전원공급장치 솔루션을 달성하도록 도와준다. 물론 다양한 애플리케이션에서 필요로 하는 잡음 수준은 서로 다른 출력전압의 성능과 마찬가지로 다양하므로 설계자만이 자신의 설계에 가장 적합한 저잡음 아키텍처를 결정할 수 있다. 하지만 잡음에 민감한 아날로그 전원공급장치의 설계를 간소화하고, 전력 손실을 줄이면서 전체 설계 풋프린트를 줄이고자 한다면, 저잡음 벅 컨버터 사용을 고려할 수 있다.