스티븐 슈니어
정확도와 정밀도를 개선하고 시스템 잡음을 최소화하는 것은 클록, 데이터 컨버터 또는 증폭기를 사용하는 의료 응용 분야, 테스트, 측정을 위한 잡음에 민감한 전원 공급 장치를 설계하는 엔지니어가 해결해야 하는 흔한 과제입니다. '잡음'이라는 용어는 사람마다 다른 의미를 가질 수 있지만, 이 문서에서 TI는 잡음을 회로의 레지스터와 트랜지스터에 의해 생성되는 저주파 열 잡음으로 정의합니다. 스펙트럼 잡음-밀도 곡선(헤르츠 제곱근당 마이크로볼트)을 통해 잡음을 식별할 수 있으며, 보통 10Hz~100kHz의 특정 범위에 걸쳐 제곱근 평균 마이크로볼트의 통합 출력 잡음으로 식별할 수 있습니다. 전원 공급 장치의 잡음은 아날로그-디지털 컨버터의 성능을 저하시킬 수 있으며 클록 지터를 유발할 수 있습니다.
클록, 데이터 컨버터 또는 증폭기에 전원을 공급하는 기존의 설정은 그림 1에서 보다시피 페라이트 비드 필터에 뒤이어 TPS7A94, TPS7A82, TPS7A84, TPS7A52, TPS7A53 또는 TPS7A54와 같은 저손실 레귤레이터(LOD)에서 지원하는 DC/DC 컨버터(또는 모듈)을 사용하는 것입니다. 이 설계 접근 방식은 전원 공급 장치의 잡음과 리플을 모두 최소화하고 약 2A 미만의 부하 전류에서 잘 작동합니다. 하지만 부하가 증가함에 따라 LDO의 전력 손실은 효율 및 열 관리 문제를 야기합니다. 예를 들어, 사후 조절 LDO는 일반적인 아날로그 프론트 엔드 애플리케이션에서 1.5W의 전력 손실을 추가할 수 있습니다. 설계 시 잡음이 낮고 효율적인 설계 방법을 찾고 계신가요? 꼭 그렇지는 않을 것입니다.
전력 손실을 점검하여 유지하는 한 가지 방법은 LDO를 통해한 드롭아웃을 최소화하는 것입니다. 하지만 이 접근 방식은 잡음 성능에 부정적인 영향을 미치게 됩니다. 또한 전류가 높은 LDO가 일반적으로 더 크므로 설계 풋프린트와 비용이 증가할 수 있습니다. 전력 손실을 제어하면서 낮은 잡음을 보장하는 데 더욱 효율적인 방법은 그림 2에 표시된 것처럼 설계에서 LDO를 완전히 제거하고 저잡음 DC/DC 벅 컨버터 또는 모듈을 사용하는 것입니다.
무슨 생각을 하고 계시는지 알고 있습니다. 잡음을 줄이는 기본 장치를 제거한 후에도 계속해서 저잡음 전원을 제공하려면 어떻게 해야 할까요? 많은 LDO가 밴드갭 레퍼런스에 저역 필터가 있어 오류 증폭기로 잡음을 최소화합니다. 저잡음 벅 컨버터의 TPS62912 및 TPS62913 제품군과 TPSM82912 및 TPSM82913 모듈은 커패시터를 연결하기 위한 잡음 감소/소프트 시작 핀을 구현하고, 그림 3에 나와 있는 것처럼 통합 Rf 및 외부 연결 CNR/SS를 사용하여 저역 통과 저항 커패시터 필터를 구성합니다. 이 구현은 기본적으로 LDO의 밴드갭 저역 필터의 동작을 모방합니다. TPS62913 또는 TPSM82913에서 제공할 수 있는 것보다 저잡음이 필요한 경우 드롭아웃 감소, 전력 손실 감소 그리고 초저잡음의 TPS7A94와 같은 저잡음 LDO를 사용할 수 있습니다. 이에 대해서는 App Brief SBVA099에서 자세히 설명되어 있습니다.
모든 DC/DC 컨버터는 스위칭 주파수에서 출력 전압 리플을 생성합니다. 정밀 시스템의 잡음에 민감한 아날로그 레일은 스펙트럼의 주파수 스퍼를 최소화하기 위해 최저 공급 전압 리플이 필요합니다. 이는 일반적으로 DC/DC 컨버터의 스위칭 주파수, 인덕터 값, 출력 커패시턴스, 등가 직렬 저항 및 등가 직렬 인덕턴스에 따라 달라집니다. 이러한 부품의 리플을 완화하기 위해 엔지니어는 LDO 및/또는 소형 페라이트 비드와 커패시터를 사용하여 부하의 리플을 최소화하기 위해 PI 필터를 생성하는 경우가 많습니다. TPS62912 및 TPS62913과 TPSM82913 모듈과 같은 저리플 벅 컨버터는 페라이트 비드 보상 및 원격 감지 피드백을 통합하여 이 페라이트 비드 필터를 활용합니다. 페라이트 비드의 인덕턴스를 추가 출력 커패시터와 함께 사용하면 그림 4에서 보다시피 출력 전압 리플의 고주파 성분을 없애고 리플을 약 30dB 감소시킵니다.
저잡음 벅 컨버터는 시스템 노이즈와 리플을 완화하는 기능을 통합함으로써 엔지니어가 LDO 없이 저잡음 전원 공급 장치 솔루션을 달성할 수 있도록 돕습니다. 물론 출력 전압에 대한 성능이 달라지기 때문에 다른 애플리케이션에 필요한 잡음 수준은 달라질 수 있어 해당 설계에 가장 적합한 저잡음 아키텍처를 결정할 수만 있습니다. 그러나 잡음에 민감한 아날로그 전원 공급 장치의 설계를 간소화하고, 전력 손실을 줄이고, 전체 설계 풋프린트를 줄이려는 경우 저잡음 벅 컨버터를 사용하는 것을 고려해 보세요.
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