내 맘대로 설계하는 DCDC 컨버터 트러블 슈팅

안녕하세요!!

Edward입니다.

 

이번에는 지난 시간에 이어서 원래는 동작 확인 편을 제작하려고 했는데,

동작이 제대로 안됐습니다!!! ㅠㅠ

그래서 이번 에는 "DCDC 컨버터 트러블 슈팅"편을 해보겠습니다!

시작하기에 앞서 지난 시간의 내용을 알고 싶다면 아래 링크 클릭해주세요 ^^

내 맘대로 설계하는 DCDC 컨버터 컨셉 편

내 맘대로 설계하는 DCDC 컨버터 회로설계 편

내 맘대로 설계하는 DCDC 컨버터 PCB 편

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자, 어떤 문제가 있었는지 순차적으로 설명드리겠습니다.

1. 전원 DC 12V를 인가하자마자 삐이이이익!! 고주파 소리가 발생.

2. 깜짝놀라서, 전원 OFF.

3. 회로가 틀렸는지 검토 -> 검토 결과 이상 없음.

4. 소자 불량 -> 보드 3개가 전부 동일한 증상이 나타나는 걸로 봐선 문제없어 보임.

5. 다시 전원 ON 후 오실로스코프로 파형 측정 (파형이 Ready와 steady 상태를 반복했음.)

6. 부하가 없을 땐, 정상 동작함.

7. 부하가 있으면 고주파 소리가 나타남.

8. 점점 디버깅을 할수록 PCB문제로 판단이 됨..

 

 

그럼 이 문제점을 좀 더 깊게 살펴보겠습니다 ^^

1. 전원 DC 12V를 인가하자마자 삐이이이익!! 고주파 소리가 발생.

• 원래 DCDC 컨버터가 정상적으로 동작한다면, 아래와 같은 파형이 출력되어야 합니다.
• 직각 스위칭 파형이 깔끔하게 출력되죠??

DCDC 컨버터 스위칭 출력 파형(정상 파형)

 

• 하지만 제가 제작한 보드는 아래와 같이 출력되었습니다.

DCDC 컨버터 스위칭 출력 파형(비정상 파형)

 

MP4462DN 데이터 시트를 참고하면, 동작에 따라서 아래 파형처럼 나와야 합니다.

제가 제작한 보드에서는 첫 번째와 두 번째 파형이 섞여서 나왔습니다.

MP4462DN 동작 파형

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3일 정도 정말 고심 고심을 해보면서 디버깅해보니, 원인 발생원을 찾았습니다.

원인 발생원은 "파워 인덕터"부분인데요. 고주파 소리가 나오는 이유는 다음과 같습니다..

1. 기능 설계 오류 (DCDC Converter의 주변 회로 장치를 목적에 맞게 설계했는가?)

2. GND 부족 (GND는 제대로 연결했는가?)

 

 

그래서 찾아낸 문제점 리스트는 다음과 같아요.

아래 이미지에서 하얀색 동그라미 표시를 하고 순서대로 번호를 적었어요.

문제점 TOP

문제점 BOTTOM

디버깅의 흔적

1. MP4462DN의 5번 핀에 GND가 실선으로 연결되어 있음.

• GND로 완전히 뒤덮게 설계했어야 합니다. (GND 부족)

2. EC2 콘덴서와 POWER GND 연결 패턴이 얇다.

• GND가 좁아서 특성이 안 좋아졌음. (GND 부족)

3. (가장 중요) Feedback 저항을 MP4462DN의 4번 핀에 근접하게 부착.

• 원래 DCDC 컨버터의 동작 원리는 원하는 출력 전압을 맞추기 위해서 출력한 전압을 다시 Feedback으로 받습니다.(아래 이미지와 동일해요 ^^)
• Feedback 제어를 통해서 출력된 전압을 다시 인가받아서 원하는 전압에 맞게 출력하기 위해 파워를 조정합니다. 
• 그래서 Feedback 저항을 MP4462DN에 근접하게 배치하니까 고주파 소음이 현저히 줄어들었어요.

Feedback 동작 (출처-RFDH)

4. 입력 콘덴서를 가까이 배치

• 입력 콘덴서는 MP4462DN의 7번에 근접하게 배치했어야 합니다.

5. 출력 콘덴서 배치 오류

• 입력 콘덴서와 마찬가지로 출력 콘덴서 배치가 오류가 되면서 GND가 좁아졌습니다.

6. GND를 + 십자 형태로 구성한 것이 마치 다이폴 안테나 형상이 되어 버림

• 다이폴 안테나 형상이 되어버리면 EMI 방사가 일어날 확률이 굉장히 높아요.
• DCDC 컨버터는 또 스위칭 소자이기 때문에 스위칭 노이즈가 중첩돼서 노이즈가 강해질 수 있습니다.

7. Feedback 받는 패턴이 MP4462DN IC의 출력 단자 바로 밑으로 배선했음. (매우 중요!)

• 앞서 설명드린 바와 같이, DCDC컨버터는 Feedback을 통해서 출력 전원을 맞추게 되는데,
• Feedback 신호가 MP4462DN 출력 단자 바로 아래 패턴이 지나가면서 스위칭 신호가 그대로 Feedback에 영향받았습니다.
• 그래서 영향받은 스위칭 신호가 다시 입력부로 들어가게 되니, 이상하게 신호 파형이 만들어지면서 파형이 이상해졌어요.
• 파형이 이상해지면서 GND전위가 흔들리고, 전위차에 의해 인덕터에서 고온으로 인한 소리가 발생하고, LDO에서 고온이 발생하였습니다.

 

 

그래서 다시 아래 PCB Layout Guide를 참고해서 새로운 PCB로 구성해야 합니다.

역시나.. PCB Layout Guide를 따라야 합니다..

 

다시 Layout Guide를 참고해서 수정한 PCB는 아래와 같습니다!

회로도 일부 수정했습니다.

아래 새로 설계한 보드를 잘 참고해주세요 ^^

PCB 소자 배치

회로 수정

PCB 배선

여기에 이제 GND만 깔아주면 됩니다! GND까는게 가장 중요해요 ^^

이상 DCDC 컨버터 트러블 슈팅 편을 마치도록 하겠습니다 ^^

다음 시간에는 DCDC 컨버터 회로 동작에 관해서 설명해보겠습니다^^

감사합니다~