[CCTV뉴스=이나리 기자] 전압 레귤레이터 스너버 네트워크의 저항기가 과열돼 현장에서 고장이 발생했다고 가정해 보자. 이미 현장에 보급된 수백만 제품들이 위태로운 상황에서 고객들은 해결책을 요구하고 있다. 이 때 회수 조치를 해야 할까? 어떻게 해결하는 것이 좋을까?
왜 스너버를 사용하는가?
첫째, 스너버 사용을 뒷받침하는 이론을 살펴보자. [그림 1]은 RC 스너버 네트워크를 갖춘 전형적인 벅 스위칭 레귤레이터를 보여준다. 스너버가 없으면 하나의 트랜지스터가 꺼지고 다음 트랜지스터가 켜지는 사이의 데드타임 때 링잉이 발생할 수 있다.
이 기간 중에 출력 루프는 직렬 기생 인덕턴스(parasitic series inductances)와 MOSFET의 병렬 커패시터에 의해서만 닫힌다. 이론상으로 후속 링잉은 입력 전압보다 두 배 더 높을 수 있고, 열악한 PCB 레이아웃 역시 링잉을 발생시키는 요인이 될 수 있다. 링잉은 EMI와 시스템 잡음 간섭을 초래하고, 트랜지스터의 고장을 넘어서 심한 회로 고장까지 이어질 수 있다. 스너버 네트워크는 저항에서 전력 손실이 있는 반면 링잉을 안전 영역으로 낮춘다.
디버깅(Debugging)
고객 연구실을 방문해 전압 레귤레이터를 갖춘 복잡한 PCB를 살펴보고 있다고 가정해 보자. 소형 외부 SMD 4.7Ω 저항, 2mm × 1.2mm x 0.45mm 저항(0805)이 간신히 보인다. 이 저항이 강등돼(have been degraded) 회로 특성을 떨어트린 것은 아닐까? 저항이 1/8 와트(125mW)로 측정됐고, 계산 결과 정격 전력을 초과해 손실되고 있다는 우려를 나타낸다. 고객은 구형파(square-wave) 전압 V, 주파수 f 기준의 RC 네트워크 계산은 충분히 단순하다고 설명한다.
문제는 단순히 전력 손실이 저항 정격 전력보다 소폭(4mW) 높다는 것만이 아니다. 적합한 설계 이윤을 제공하기 위해 황급 법칙은 저항 정격 전력을 전력 손실의 두배로 측정하고 있다. 결국 저항 정격 전력은 100% 이상 차이나게 된다.
CV2f 미분 유도
전자 업계에서 가장 흔히 사용되는 수식들 중 하나가 다. 미분 유도를 활용하면 이해하기 쉽다. [그림 2]는 [그림 1]의 고유값을 가진 스너버 회로와 전압원의 Vx 노드를 나타낸다.
양의 단계 전압 하에서 스너버 회로의 전류는 다음과 같다.
여기서 V가 19.5V 스텝 진폭일 때 저항에서 손실되는 전력은 다음과 같다.
순간 전력에서 평균 전력을 내려면 에너지 계산, 즉 시간에 대해 적분이 필요하다. 반복되는 구형파의 반주기 T/2에 대해 적분하면 사실상 ‘RC<<T’와 같은 다음의 결과가 산출된다.
구형파 전압원의 경우, 전압원이 낮은 시기에 같은 양의 에너지가 손실되며, 따라서 한 기간 중 손실되는 에너지의 총량은 두 배가 된다.
