Power 회로기판 설계의 철칙 10개 항목

1.  1. Pattern은 돌리지 않는다.

-        Pattern은 돌리는 것이 아니라 불필요한 동박을 제거한다.

Pattern 설계를 「Pattern을 돌린다」고해도 좋지만, Power 회로기판의

Pattern을 설계할 때는 돌리는 것이 아니라 회로에 가해지는 전압에 의해

필요한 간격을 설치하는, 즉 불필요한 동박을 제거한다고 하는 작업이

Power 회로기판의 Pattern 설계이다.

실제로 CAD로 설계를 행하는 경우는 Pattern을 돌리는 것이지만 Image로서 불필요한 동 박을 제거한다는 마음가짐을 가져야 한다.

-      왜 Pattern을 돌리지 않는가?

한마디로 하자면 Pattern의 Impedance를 작게 하기 위해서이다.

불필요한 동 박을 제거하는 작업에 의해 Pattern의 폭이 두껍게 되기 위한

동 박의 단면적이 크게 되어 직류저항이 작아지게 된다.

또 Pattern으로 둘러 쌓는 면적이 작아지기 때문에 Pattern Impedance가

작아지게 된다.

2.   2. Pattern은 굵고 짧게

소 신호 회로에 비하면 Power 회로에서는 고전압 대 전류를 취급하기

때문에 회로전류를 잘 파악해서 Pattern폭을 결정할 필요가 있다.

-        Pattern의 폭은 전류의 실효 치에서 구한다.

Pattern 폭 1mm에 대한 허용전류는 1A정도라고 한다.

이 값은 전류변화가 작은 직류전원 등에는 적용가능하나 Switching 전원등

전류변화와 Peak전류가 큰 회로에 그대로 적용하면 효율저하나 오 동작의

원인이 된다.

Switching 전원 등에서는 전류가 단속적으로 흐르기 때문에 전류의 실효치는 평균치에 비해서 크게 되며 Pattern폭을 결정하는 전류는 실효치를 사용한다.

예를 들면 그림1과 같은 전류파형의 실효치 Irms[Arms]는 식(1)에서

0.5Arms로 구해지며 Pattern폭은 0.5mm이상 필요하게 된다.

Irms = √ Ip2×Ton/2

t

Ip=Peak전류[A], Ton:On시간[s], t:Switching 주기[s]

Pattern의 폭을 충분히 크게 하는것이 불가능한 경우 동 박을 두껍게 한다.

Pattern 폭 1mm에 대해 허용실효전류 1A라는 값은 동 박두께 35μm의경우이며 Power회로의 동박두께는 70μm로 하는 경우가 많으며 이 경우Pattern 폭 1mm대한 허용실효전류의 값은 2A로 하는 것이 가능하다.

-  Pattern이 굵어지면 손실이 감소한다.

최최초의 Switching 전원 등에서는 효율향상은 필요조건으로 되어있으나

P   pattern에서 불필요한 전력손실이 발생하게 되면 효율 회로가 무용지물이된다.

P   pattern 설계에서는 효율을 저하시키지 않도록 Pattern 폭을 결정하는것이 중요하다.

P pattern에 의한 전력손실은 회로의 실효전류와 Pattern의 직류저항에서 계산 가능하다.

Pattern의 직류저항 R[Ω]은 다음 식으로 나타낸다.

R=ρ×l/a   ----- (2)

Ρ=체적 저항률[Ωm], l:Pattern길이[m], a:단면적[m2]

동의 체적저항률은 0℃에서 1.55×10 -8Ωm, 100℃에서

2.23×10 -8Ωm이므로 어떤 온도 T℃에서의 동의 체적저항률 ρ은

다음 식과 같이 된다.

Ρ = {(2.23-1.55)×(T/100)+1.55}×10 -8

= (0.0068T+1.55)×10 -8     ------ (3)

Pattern의 직류저항은 Pattern이 굵어지는 만큼 작아지게 되므로 Power

회로에서는 필요한 Pattern Gap을 확보하고 그 외의 부분을 Pattern으로

남겨서 Pattern이외의 동 박은 Etching으로 제거하여 제작한다.

이처럼 하면 가능한 굵은 Pattern으로 되어 Pattern의 직류저항이

작아져서 회로의 효율 향상에 기여한다.

-        Pattern의 온도상승.

  Pattern의 온도상승과 허용전류를 표1에 보였다.

통상은 온도상승을 20℃이하로 한다.

즉, 0.1mm의 Pattern은 0.7A의 전류를 흘리는 것이 가능하고 1mm의

Pattern은 즉 3A의 전류를 흘린다. 단, 이 표는 최대허용치를 나타내는

것이므로 실제로는 앞에서 설명한대로 1mm Pattern의 전류는 1A정도로

된다.

3.   3.  필요한 Gap을 확보

Pattern간 Gap은 회로에 가해진 전압에 의해 결정된다.

또 적용하는 규격에 의해서도 Pattern간 Gap은 변경된다.

Pattern간 Gap이 좁으면 내 전압 시험 시에 Corona 방전이 발생하여

절연파괴를 일으킨다.

내 전압 시험에 가해지는 전압은 적용하는 안전규격에 의해 결정된다.

참고로 여러 가지 규격의 Pattern간 Gap과 내 전압을 표2에 보였다.

4.   4.  같은 Pattern선상이라도 각부의 전위는 다르다.

- 전류에 의해 발생하는 전위차를 고려한다.

큰 전류가 흐르는 부분에는 Pattern의 직류저항에 의해 전위차가 발생한다.

또 방형 파와 같이 입상이 빠른 전류가 흐르는 경우는 Pattern의

Impedance에 의해 전위차가 발생한다.

이 때문에 제어회로의 Common 전위 등, 소 신호를 취급하는 회로 부에

크고 변화가 급격한 전류가 흐르지 않도록 하는 Pattern으로 하는 것이

중요하다.

-        전류의 흐름을 고려한 회로 예

예를 들어 그림2(a)와 같은 회로 도를 그대로 Pattern으로 하면 IC의

Ground로 되어있는 Pattern에 큰 전류가 흐른다.

그래서 회로 도를 약간 변형시켜 그림2(b)처럼 1점 접속한다.

이렇게 하면 IC의 Ground Pattern에는 큰 전류가 흐르지 않는다.

5.     5.전류는 흐르기 쉬운 장소를 흐른다.

-        Return 전류의 흐름

전류는 Impedance가 작은 만큼 흐르기 쉽다. 이것은 당연한 것이지만

Pattern설계 시에 잊어버리는 경우가 있다.

그림 3(a)의 Pattern에서 Return 전류는 Ground Pattern대로 흐르는 것일까?

그것은 흐르는 전류의 주파수에 의해 변화한다.

직류의 경우는 그림3(b)처럼 흐른다.

결국 Return의 Pattern을 가늘게 하는 경우 주파수가 높을 때는 3(d)와

같은 Pattern쪽이 Impedance가 작아진다.

직선적인 Pattern을 끌어가면 Impedance가 크게 되어버리는 것이다.

-        균등하게 분류시킨다.

전해 Condenser의 허용 Ripple 전류를 고려하여 4(a)처럼 Condenser를

병렬 접속하는 경우를 생각해보면 최근 기기의 소형화나 박형화 때문에

소 용량의 전해 Condenser를 복수 개 사용하여 병렬접속이 필요하게 되는

기회가 많다고 생각한다.

단순히 4(b)처럼 Pattern 설계를 하면 C2보다 C1의 전류가 크게 된다.

이것은 C2를 통과하는 B의 경로보다 C1을 통과하는 A의 경로가 짧기

때문에 전류가 흐르기 쉽기 때문이다.

C1의 전류는 허용 Ripple 전류를 초과할 가능성이 있다.

이 때문에 전해 Condenser를 복수 개 병렬 접속하는 경우는 각

Condenser의 Switching 전류가 흐르는 Pattern 길이가 가능하면

동등하게 되도록 한다.

구체적으로는 4© 처럼 Pattern을 설계한다.

이처럼 C1을 통과하는 A의 경로도 C2를 통과하는 B의 경로도 거의

동등한 길이로 되어 전류가 균등하게 흐른다.

6.    6. Pattern 설계로 Noise는 변한다.

-        Noise 발생의 Mechanism

주파수가 높은 경우 Pattern간의 부유용량에 의해 다른 쪽의 Pattern에

전류가 흘러 버리고 이 전류가 오 동작이나 도전 Noise의 원인이 된다.

Pattern간 뿐만 아니라 Pattern과 부품에서도 동일하다.

-        고 Impedance의 Pattern은 요주의

OP Amp의 가산점(Summing Point)등 Impedance가 높은 Pattern은

특히 주의가 필요하며 OP Amp의 입력 Impedance는 아주 높기 때문에

PA Level의 누설전류에도 영향을 받는다.

그러므로 OP Amp의 입력단자 Pattern은 다른 Pattern이 교차하지

않도록 주의가 필요하다.

또 OP Amp의 입력단자에는 입력저항이나 귀환저항 등 물리적으로

떨어져있는 부품에서의 Pattern이 모여든다.

그래서 입력단자의 Pattern은 길어지게 되는데 가능한 부품을

OP Amp의 입력단자 부근에 배치하여 Pattern을 짧게 할 필요가 있다.

7.     7.오 동작은 Pattern 불량이 원인

오 동작의 대다수는 동일 Pattern에서의 전위차가 원인이다.

회로도상의 동일전위라도 실제의 회로에서는 전위가 달라지게 된다.

결국 배선 Impedance등 눈에 보이지 않는 회로정수가 실제의 Pattern에

가해져 설계한 회로와 실물이 달라지게 되기 때문에 설계한대로 동작하지

않는다.

제어회로의 Common에 큰 전류가 흐르지 않도록 1점 접속하거나

대 전류가 흐르는 Pattern에서 돌아가는 면적을 감소시키는 등

Pattern Impedance를 충분히 고려하여 Pattern 설계를 행하는 것이

중요하다.

8.     8.Power 회로와 제어회로는 이격 한다.

Power 회로에서는 제어회로에 비해 큰 전력을 취급하기 때문에 제어회로에

있어서 Power 회로는 Noise원이 된다.

이 Noise의 영향을 작게 하기 위해 Power회로와 제어회로를 물리적으로

가능한 이격 시켜 배치한다.

9.     9.부품 면 Pattern을 끌어가지 않으면 안 되는 경우가 있다.

-        부품의 외장과 Pattern과의 거리가 문제

전해 Condenser의 Case는 절연 Film으로 절연되어 있으나 이 Film의

절연은 보증되지 않는 경우가 대다수이다.

그러므로 부품 면에 Pattern을 배선하면 전해 Condenser의 단자에

연결되는 Pattern과 Case가 절연 Film만으로 절연되는 것으로 된다.

-        부품 면 이외에서 Pattern을 연결하면 문제없음.

사용전압이 높은 경우 전해 Condenser의 아래부품 면 배선을

하지 않도록 할 필요가 있다.

1.   10.발열부품은 분산하여 배치.

많은 Power 회로부품은 발열하기 때문에 Pattern이나 방열기에서 방열할

필요가 있다.

발열부품이 집중되어 있으면, 방열기 등의 열 저항에 의해 열이 집중되어

온도상승이 크게 된다.

그래서 발열부품은 분산하여 배치해야 한다.

그러나 Power 회로에서는 Pattern의 Impedance를 작게 하기 위해 부품을

가깝게 모아서 배치할 필요가 있다.

여기서 방열적인 요구와 회로적인 요구에 모순이 생긴다.

그러므로 회로조건과 발열조건을 고려하여 각각의 조건의 Trade off로

Pattern설계를 할 필요가 있다.

출처 : http://blog.naver.com/phil7724