스위칭 컨버터의 PCB 레이아웃(layout)

목표

컨버터에서 에지마다 전류가 켜지고 꺼지는 루프를 찾습니다.
그 루프의 인덕턴스가 에지 동안 만드는 전압을 어림합니다.
그에 맞춰 입력 커패시터, 접지층, 스위치 노드, 피드백 배선의 위치를 정합니다.

이론

핫 루프

벅 컨버터에서 스위치는 켜져 있는 동안 인덕터 전류만큼의 펄스 전류를 입력 커패시터에서 끌어옵니다. 배선을 거쳐 연결된 전원은 대략 평균 전류만 공급하며, 스위치가 꺼져 있는 동안 커패시터를 다시 충전합니다. 에지마다 스위치, 다이오드(또는 두 번째 스위치), 입력 커패시터의 전류가 인덕터 전류만큼 계단처럼 바뀌지만 인덕터 전류는 계속 흐릅니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 2]. 전류가 스위칭되는 루프는 이 셋으로 이루어진 루프, 곧 핫 루프(hot loop)입니다. 모든 루프에는 인덕턴스가 있으며, 전류가 $t_\mathrm{edge}$ 동안 $\Delta I$ 만큼 바뀌는 에지에서는 다음 전압이 생깁니다(인덕터의 법칙).

V_\mathrm{spike} = \frac{L_\mathrm{loop} \Delta I}{t_\mathrm{edge}}

$V_\mathrm{spike}$: 루프 인덕턴스에 걸리는 전압
$\Delta I$: 에지 동안의 전류 변화
$L_\mathrm{loop}$: 루프 인덕턴스
$t_\mathrm{edge}$: 에지 지속 시간

스위칭 에지 동안 루프 인덕턴스에 걸리는 전압✓ 테스트 8개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

에지 동안 전류가 직선적으로 변함

비고

같은 에지라면 전압은 루프 인덕턴스에 비례하고, 에지가 빨라지면 그에 비례해 커집니다. 10 A가 흐르던 10 nH 루프에서 전류가 10 ns 만에 멈추면 10 V가 생깁니다

출처

Alexander & Sadiku 2017, Ch. 6 (Capacitors and Inductors); derived here

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

layout.v_spike · equations.yaml 항목

키르히호프 전압 법칙에 따라 이 전압은 스위치 전류가 떨어지는 동안 스위치 양단에서 입력 전압에 더해집니다 [Alexander & Sadiku 2017, Ch. 2 (Basic Laws)]. 턴오프 에지마다 생기는 오버슈트(overshoot)입니다. 같은 에지라면 이 전압은 루프 인덕턴스에 비례하므로, 루프가 짧고 조밀할수록 작아집니다. 입력 커패시터가 그 루프를 닫으므로 스위치 바로 옆에 둡니다. TI는 입력 커패시터를 강압 컨버터가 안정적으로 동작하는 데 가장 중요한 단일 부품으로 꼽습니다 [Texas Instruments 2015].

턴오프 에지 뒤에는 루프 인덕턴스가 스위치 노드 커패시턴스와 링잉(ringing)하며, 이 링잉 주파수로 루프에 전류 프로브를 넣지 않고도 인덕턴스를 구할 수 있습니다.

L_\mathrm{loop} = \frac{1}{4 \pi^{2} f_\mathrm{ring}^{2} C_\mathrm{node}}

$L_\mathrm{loop}$: 루프 인덕턴스
$C_\mathrm{node}$: 스위치 노드 커패시턴스
$f_\mathrm{ring}$: 링잉 주파수

스위칭 에지 뒤 링잉으로 구한 루프 인덕턴스✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

감쇠 없는 L-C 공진

비고

턴오프 에지 뒤에 루프 인덕턴스는 스위치 노드 커패시턴스와 링잉합니다. 오실로스코프로 읽은 링잉 주파수로, 루프에 전류 프로브를 넣지 않고 인덕턴스를 구할 수 있습니다. 링잉에는 프로브를 포함해 노드의 모든 커패시턴스가 관여하므로, 하나라도 빠뜨리면 인덕턴스를 실제보다 크게 계산합니다

출처

Alexander & Sadiku 2017, Ch. 14 (Frequency Response: series resonance); derived here

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

layout.L_ring · equations.yaml 항목

접지층과 스위치 노드

이런 기판에는 전력단이 놓인 바깥 층 바로 옆 층에 접지층(ground layer)이 있어야 합니다 [Analog Devices (Linear Technology), AN-136]. 스위치 노드(switch node)는 에지마다 입력 전압과 접지 사이를 오가며, 그 구리와 이웃 배선 사이의 부유 커패시턴스(stray capacitance)에는 이 전압 변화율에 비례하는 전류가 흐릅니다 (커패시터의 법칙). 그러나 이 노드는 인덕터 전류도 흘리고 스위치의 열도 빼내므로 면적이 너무 작아서도 안 됩니다. AN-136은 이를 절충의 문제로 다룹니다 [Analog Devices (Linear Technology), AN-136].

피드백 배선

제어기는 피드백 배선(feedback trace)이 가져오는 전압을 조정합니다. 배선 도중에 유기된 전압도 출력 자체의 전압인 것처럼 출력에 반영됩니다. 이 배선은 인덕터와 잡음이 많은 전력 배선에서 되도록 멀리 두고 [Texas Instruments 2013], 출력 전압이 중요한 지점에서 별도의 귀환 경로와 함께 따옵니다(켈빈 연결(Kelvin connection), 전류 센싱 참고).

풀이 예제

에지가 같은 두 루프:

레이아웃 예제

기호	값	구하는 방법
$L_\mathrm{loop}$ 루프 인덕턴스	10 nH	주어진 값
${L_\mathrm{loop}}_{\mathrm{tight}}$ 루프 인덕턴스	2 nH	주어진 값
$\Delta I$ 에지 동안의 전류 변화	10 A	주어진 값
$t_\mathrm{edge}$ 에지 지속 시간	10 ns	주어진 값
$V_\mathrm{spike}$ 루프 인덕턴스에 걸리는 전압	10 V	스위칭 에지 동안 루프 인덕턴스에 걸리는 전압
${V_\mathrm{spike}}_{\mathrm{tight}}$ 루프 인덕턴스에 걸리는 전압	2 V	스위칭 에지 동안 루프 인덕턴스에 걸리는 전압

같은 전류 변화가 10 nH 루프에서는 10 V를, 더 조밀한 2 nH 루프에서는 2 V만 만듭니다.

직접 해 보기

▶ 수식 탐색기에서 열기: 스위칭 에지 동안 루프 인덕턴스에 걸리는 전압
초기값을 가져온 예제 bench-layout

루프 인덕턴스를 바꿔 보면 전압이 인덕턴스에 비례합니다. 더 빠른 스위치를 쓴 것처럼 $t_\mathrm{edge}$ 를 절반으로 줄이면 전압은 두 배가 됩니다.

벤치 실습

컨버터 기판에서 입력 커패시터, 스위치, 다이오드(또는 두 번째 스위치)로 이루어진 핫 루프를 찾습니다. 한쪽 끝이 접지인 로우사이드 스위치나 다이오드 양단에서, 프로브가 허용하는 가장 짧은 접지 연결로(프로브 참고) 턴오프 오버슈트를 잽니다. 두 단자의 전위가 모두 변하는 스위치에는 차동 프로브가 필요합니다. 전류 프로브를 쓰려면 핫 루프에 전선 루프를 추가해야 하고, 그 전선이 인덕턴스를 더합니다. 따라서 대신 에지 뒤의 링잉과 스위치 노드의 전체 커패시턴스로 루프 인덕턴스를 어림합니다. 전체 커패시턴스는 데이터시트의 스위치와 다이오드 출력 커패시턴스에 프로브의 입력 커패시턴스와 기판의 커패시턴스를 더한 값이며, 값을 아는 커패시터를 더해 링잉을 다시 재면 한꺼번에 구할 수 있습니다(스너버와 클램프 참고). 에지의 전류 변화와 하강 시간을 넣어 오버슈트를 루프 전압 식과 비교합니다. 이어서 스위치 쌍 바로 옆에 작은 세라믹 커패시터를 달아 루프를 줄이고 다시 잽니다.

주의할 점

멀리 둔 입력 커패시터는 전류가 스위칭되는 루프를 크게 만들고, 오버슈트도 함께 키웁니다(루프 전압).
구리가 너무 적은 스위치 노드는 뜨거워지고, 너무 많으면 전압 변화가 이웃 배선에 결합됩니다. 그 면적은 절충의 문제입니다 [Analog Devices (Linear Technology), AN-136].
긴 프로브 접지선은 자체 루프를 더해 오버슈트를 실제보다 크게 보이게 합니다 [Analog Devices, AN-1144](프로브 참고).

더 알아보기

응용 노트 AN-136: PCB Layout Considerations for Non-Isolated Switching Power Supplies — Analog Devices (Linear Technology) · 확인일 2026-09-24
벅 컨버터 기판의 핫 루프, 층 구성, 스위치 노드에 대한 단계별 설명.
기술 기사 Five steps to a great PCB layout for a step-down converter (SLYT614) — Texas Instruments · 확인일 2026-09-24
입력 커패시터를 가장 중요한 부품으로 보는, 강압 컨버터 기판 설계의 다섯 단계.
응용 노트 AN-1149 Layout Guidelines for Switching Power Supplies (SNVA021C) — Texas Instruments · 확인일 2026-09-24
전류 루프, 접지면, 피드백 배선, 입력 커패시터를 짧게 정리한 노트.

퀴즈

벅 컨버터에서 에지마다 전류가 스위칭되는 루프는 무엇입니까?
1. 인덕터와 출력 커패시터
2. 출력 커패시터와 부하
3. 입력 커패시터, 스위치, 다이오드(또는 두 번째 스위치)
4. 피드백 분압기
정답과 해설
정답: C 에지마다 스위치, 다이오드, 입력 커패시터의 전류가 인덕터 전류만큼 계단처럼 바뀌지만 인덕터 전류는 계속 흐릅니다. 전류가 스위칭되는 루프는 이 셋으로 이루어진 루프입니다.
5 nH 루프에서 10 A가 10 ns 만에 0이 됩니다. 루프에 생기는 전압은 얼마입니까?
1. 5 V
2. 0.5 V
3. 50 V
4. 루프와 관계없이 나노초당 500 mV
정답과 해설
정답: A 루프 인덕턴스에 전류 변화를 곱하고 에지 시간으로 나눕니다. 5 nH × 10 A ÷ 10 ns = 5 V입니다.
스위치가 두 배 빨라지면 같은 루프의 전압은 어떻게 됩니까?
1. 절반이 됨
2. 그대로임
3. 네 배가 됨
4. 두 배가 됨
정답과 해설
정답: D 전압은 루프 인덕턴스와 전류 변화의 곱을 에지 시간으로 나눈 값이므로, 에지 시간이 절반이 되면 두 배가 됩니다.
턴오프 때 루프 인덕턴스의 전압은 어디에 나타납니까?
1. 부하 양단에만
2. 스위치 양단에, 입력 전압에 더해져서
3. 출력 커패시터 양단에
4. 어디에도 없음. 인덕턴스는 에너지만 저장하고 전압은 만들지 않음
정답과 해설
정답: B 루프에 키르히호프 전압 법칙을 적용하면, 전류가 줄어드는 동안 인덕턴스의 전압이 스위치 양단에서 입력 전압에 더해집니다.
강압 컨버터에서 스위치에 가장 가까이 두어야 하는 부품은 무엇입니까?
1. 출력 커패시터
2. 피드백 분압기
3. 입력 커패시터
4. 출력 커넥터
정답과 해설
정답: C 전류가 스위칭되는 루프를 닫는 부품입니다. 루프가 짧을수록 인덕턴스가 작고, 에지마다 그 양단에 생기는 전압도 작습니다.
스위치 노드의 동박 면적이 절충의 문제인 이유는 무엇입니까?
1. 전류를 나르고 스위치를 식혀야 하지만, 그 전압 변화가 이웃 배선에 결합되기 때문
2. 구리가 비싸기 때문
3. 면적이 크면 스위칭 주파수가 낮아지기 때문
4. 스위치 노드에는 전류가 흐르지 않기 때문
정답과 해설
정답: A 노드에는 전류와 열을 위한 동박이 필요하고, 그 전압 변화는 부유 커패시턴스를 통해 이웃 배선에 전류를 흘립니다.
피드백 배선은 어떻게 배치해야 합니까?
1. 짧게 하려고 스위치 노드 옆에
2. 인덕터와 잡음이 많은 전력 배선에서 되도록 멀리
3. 인덕터 아래로
4. 상관없음. 제어기가 걸러 냄
정답과 해설
정답: B 제어기는 배선이 가져오는 전압을 조정하므로, 배선 도중에 유기된 전압은 출력에 그대로 나타납니다.

이 사이트의 예제, 프리셋, 연습 문제에 나오는 수치는 교육용으로 만든 어림수(합성 값)이며, 실제 설계의 데이터가 아닙니다.