SMPS 전원, 다양한 IC 상용화로 구현 쉬워져
노이즈 제거기술 발전, 전자 기술 발전 이끌어
신호 흐름에 따른 패턴 설계 기법에 관심 필요


지난 12월, e4ds 뉴스에서는 개발 리더십, 글로벌 역량, 기술 확산 등 8개 항목에 대해 전자 엔지니어들을 대상으로 ‘2019 올해의 엔지니어 평가’를 실시했다. 그 결과 5개 분야에서 5인을 선정하고 ‘2019 올해의 기술인상’을 수여했다.

고효율 전원 설계 부문의 수상자인 조성재 교수는 1993년부터 지금까지 신한대학교 전자공학전공 교수로 재직하고 있으며, 그전에는 삼성전자 종합연구소에서 1983년부터 1993년까지 근무했다.

e4ds 뉴스는 그에게 수상 소감과 함께 고효율 전원 설계 분야에 대한 현재와 미래를 물었다.


Q. 수상 소감이 어떠한지 듣고 싶습니다.
A. 교수로 재직하면서 수행한 프로젝트 및 기술자문, 기술지도 경험을 바탕으로 산업체 재직자 대상 특강을 진행한 지도 어느덧 10여 년이 다 되어갑니다.

이 시점에 e4ds 뉴스가 수여하는 ‘2019 올해의 기술인상’을 받음으로써 그동안 진행해왔던 특강들에 대한 노고를 인정받은 것 같아 기쁘고 영광스럽습니다.

e4ds에서 개최한 ‘2019 노이즈 저감 및 전력 소모에 효율적인 전원 설계 세미나’에서의 ‘저전력/저잡음 회로 및 패턴 설계 기법’ 등 저의 특강 내용을 좋게 평가해 주신 산업체 재직자분들께도 감사드립니다.


Q. 2019년 전원 설계 분야에서 특기할 이슈가 있다면?
A. 모든 전자기기 및 전기 관련 분야에서는 회로를 동작하게 하는 전압을 공급하는 전원이 필수적입니다. 차지 펌프(Charge Pump) 방식, 전압 체배 방식 등 다양한 방식이 있지만, 크게 선형 레귤레이터(Linear Regulator) 방식과 SMPS(Switching Mode Power Supply) 방식, 두 가지로 나눌 수 있습니다.

선형 레귤레이터 방식은 AC 전원을 트랜스포머를 사용하여 전압을 강하한 후 정류기(Rectifier)를 통하여 정류한 후에 선형 레귤레이터를 사용하는 방식으로 예전부터 많이 사용됐습니다.

입력 변동(Line Regulation)과 정적 부하 변동(Load Regulation)이 적으며 노이즈가 적은 장점이 있지만 크기가 크고 전력 변환 효율이 낮다는 단점이 있습니다. 그래서 크기가 크고 전력 변환 효율이 떨어지지만, 낮은 노이즈와 높은 정밀도를 요구하는 의료기기와 정밀 측정 기기에 사용되고 있습니다.

SMPS는 그에 반해 크기가 작고 전력 변환 효율이 높으며 입력 전압 범위와 관계없이 낮은 전압과 높은 전압을 모두 구현할 수 있다는 장점 때문에 요즈음의 전기 전자 장비에는 SMPS 전원을 많이 사용하고 있습니다.

다만 SMPS는 스위칭으로 인하여 스위칭 노이즈가 크며, 스텝업(Step-Up)·스텝다운(Step-Down)·플라이백(Flyback)·네거티브 컨버터(Negative Converter)와 같은 다양한 회로 종류가 있어 회로 구현이 복잡하고 이해가 쉽지 않다는 단점이 있습니다.

그러나 국내외에서 다양한 IC가 상업화되면서 구현이 쉬워지고 있습니다. 따라서 SMPS의 사용은 더욱 증가할 전망입니다.


Q. 향후 SMPS 전원 연구 방향은 어떻습니까?
A. 국내외 반도체 메이커들은 SMPS의 크기를 줄이기 위해 더욱 높은 스위칭 주파수를 사용하기 위하여 노력할 것이며, 이에 따른 전력 변환 효율을 높이기 위한 연구를 지속할 것으로 생각됩니다.

그러나 이렇게 스위칭 주파수를 높일수록 고주파 노이즈가 증가한다는 문제점이 발생합니다. 이러한 고주파 노이즈를 줄이기 위한 다양한 방법들이 모색될 것이며 최근에는 이러한 대책을 적용한 IC들이 상업화되고 있습니다.

또한, 스위칭 주파수를 높이기 위해서는 내부 또는 외부의 트랜지스터나 FET와 같은 스위칭 소자의 속도를 높여야 하고, 이에 따른 열 소모를 줄이기 위한 연구도 계속될 것입니다.

최근에는 전력 변환 효율이 높은 SMPS를 이용하여 대용량 전류를 출력할 수 있는 IC들도 많이 나오고 있는데 이러한 시도들도 계속될 것입니다.


Q. 전원 노이즈를 줄이기 위해 추가로 고려해야 할 사항은 무엇입니까?
A. 각각 장단점이 있는 선형 레귤레이터 방식과 SMPS 방식을 사용하여 전원을 공급하더라도 회로 및 PCB 기판 설계 시의 노이즈는 또 다른 문제입니다. 따라서 패턴 설계 기법에 관한 연구가 계속 추진되어야 합니다.

전원 노이즈는 복합적인 요인으로 인하여 발생하므로 특히 전원 패턴 설계에 신중해야 합니다. 전원 노이즈는 크게 전원 자체의 노이즈와 외부 요인으로 인한 노이즈로 구분됩니다.

전원 자체 노이즈로는 SMPS의 스위칭 노이즈와 선형 방식의 리플(Ripple) 노이즈, 입력 전압 변동 및 소모 전류에 따른 출력 전압 변동으로 인한 노이즈가 있습니다. 외부 요인으로 인한 노이즈로는 신호 흐름, 회로 배치, 전류 경로, 전원과 GND 분리 및 레이아웃에 따른 노이즈가 있습니다.

전원 자체 노이즈는 전원의 종류와 설계에 따른 노이즈지만, 외부 요인에 따른 전원 노이즈는 패턴 설계에 의한 영향이기 때문에 신호의 흐름을 이해하고 패턴을 설계하는 것이 매우 중요합니다. 그러나 국내에서는 많은 엔지니어가 기판 설계를 외주에 맡기고 있어 신호의 흐름에 따른 패턴 설계 기법에 관심을 두지 않는 것 같아 아쉬운 생각이 듭니다.


Q. 노이즈가 완전히 정복되는 날이 올 것 같습니까?
A. SMPS의 스위칭 주파수와 CPU의 클럭 주파수가 높아지고 있어 노이즈의 영향은 더욱 커질 수밖에 없습니다. 따라서 이에 대한 대책이 계속 필요할 것입니다.

또한, 전자기기의 부피가 날이 갈수록 작아지고 있습니다. 소형화할수록 패턴 간격이 좁아져 회로 간 간섭이 증가합니다. 여기에 갈수록 높아지는 SMPS의 스위칭 주파수와 CPU 클럭으로 인해 노이즈의 영향이 더욱 증가할 것입니다.

결국, 노이즈를 완전히 정복하는 것은 불가능하며 노이즈가 증가할수록 이에 대처하는 노이즈 제거 기술도 개선되면서 전자 기술은 발전되어 갈 것으로 생각합니다.