편하게 보는 전자공학 블로그

스위칭 레귤레이터의 잡음은 일반적으로 복사 성분 혹은 전도 성분으로 나타난다.

실은 스위칭 레귤레이터의 잡음은 실제로 잡음이 아니고 레귤레이터 스위칭과 직접 연관된 고주파 잔여 성분이다.

급격하게 증가하는 스파이크는 스위칭 천이와 관련돼있다.

이러한 스파이크가 성능을 저하시키고 동작을 멈추게 한다.

잡음은 세 가지 경로로 인접 회로에 도달한다.

레귤레이터 출력 연결선을 통해 전도되고 구동 공급원으로 다시 전도돼 들어가고 그리고 복사된다.

다이오드 순방향 켜짐시간은 원래 문제가 안됐지만 클록속도가 빨라지면서 문제가 되기 시작했다.

다이오드 양단에 순간적인 오버슈트 전압을 발생시켜 과전압 스트레스를 줘서 문제가 된다. IC의 고장을 일으키기 때문

쇼트키 다이오드는 반응속도가 빠른 특성이 있다.

https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_8/backbone/r8_2_1.html

검색 중에 프로그래밍 언어 순위를 보고 재밌어서 포스팅에 남깁니다. 

https://www.tiobe.com/tiobe-index/

1위는 자바!

웹 개발이나 앱 개발에 활발히 사용되고 있습니다.

2위는 C!

C는 뭐 언어의 가장 기본이죠. 워낙 광범위하게 사용되고 있습니다.

그리고 AI에 활발히 사용되고 있는 파이썬

빅데이터 R, 구글이 개발한 Go, 

공대생들이 많이 사용하는 Matlab!

FFT Fast Fourier Transform

FFT는 기존의 DFT(Discrete Fourier Transform)의 연산량을 극복하려고 나온 변환입니다.

DFT 포스팅입니다 -> https://kkhipp.tistory.com/3

과거의 하드웨어로는 DFT의 연산량을 커버하기에는 무리가 있었습니다.

DFT는 의 연산량이 필요하지만 FFT는 의 연산량으로 더 적은 양이 필요합니다.

FFT는 결국 DFT의 계산 과정에서 대칭성과 주기성을 사용하여 연산량을 줄이는 변환입니다.

FFT에서 많이 사용되는 알고리즘은 Cooley-Tukey 알고리즘 입니다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Butterfly_diagram

그리고 FFT Cooley-Tukey 알고리즘 과정을 그려보면 위와 같은 그림이 나오는데

나비 모양과 비슷하다고 하여 Butterfly model, Butterfly operation 등으로 부릅니다.

인공지능개론을 듣고 있는데 교수님이 매우 칭찬하셨던 영상이 기억에 남았습니다.

바로 욜로입니다.

여기서 YOLO의 뜻은 You Only Look Once 입니다.

수천 번의 분류와 수천 번의 신경망의 판독을 거치지 않고 

단일 네트워크로 한 번에 빠르게 판단하기 때문에 붙여진 이름입니다.    

홈페이지도 다크넷에 맞게 어둡고 신비롭습니다.

또한 영상도 적절한 음악을 넣어서 보기 좋게 만들어서 어필 또한 잘했다고 생각합니다.

https://pjreddie.com/darknet/yolo/ 에 친절하게 코드와 사용법까지 모두 첨부되어있습니다.

https://tv.naver.com/v/2494042/list/179826 는 테드 강연입니다.

가진 기술을 무료로 배포하고 사용할 수 있게하다니 정말 멋있는 사람입니다.

관심있는 분들은 시청해보세요 ㅎ

공정이 점점 미세화 되고 있습니다.

10나노 공정 7나노 공정 이런 이야기가 많이 들리는데 10나노 7나노는 무엇을 의미할까요?

10나노는 회로 선폭을 이야기합니다.

이렇게 미세화 되면 반도체에 어떠한 변화가 생길까요?

이렇게 스케일링이 작아지면

Lg(게이트 길이), Tox(절연체 두께), Vd(전압) 등이 1/k배로 작아집니다.

여기서 전류 또한 1/k배로 작아지게 됩니다.

Switching frequency는 k배로 증가하게 됩니다.

이건 역으로 딜레이는 1/k배로 감소한다는 뜻입니다.

Power는 배로 작아집니다. (전류, 전압 둘다 1/k배이니까)

하지만 여기서 문제들이 생기게 됩니다.

먼저 Short-Channel Effect입니다.

DIBL, GIDL, Punch through 등이 있습니다.

이와 같은 문제점들이 있습니다.

반도체 공부를 하다가 보면 High k, Low k 이야기가 자주 나옵니다. 

여기서 k는 유전상수(dielectric constant)입니다.

여기서 유전상수가 클수록 더 많은 전하량을 축적할 수 있게 됩니다.

그러면 어떤 경우에 High K 물질을 사용하고 Low K 물질을 사용할까요?  

http://www.physics.rutgers.edu/Bartgroup/HighK.htm

위 구조를 보았을 때 Metal과 Si 사이의 절연막이 있습니다.

공정이 점점 미세화 되면서 절연막도 얇아지고 있습니다.

이에 따라 누설전류가 발생하는게 문제가 되고 있습니다.

이를 방지하기 위해 유전율이 높은 High-K 물질을 절연막으로 사용하고 있습니다.

이러면 다 High-K를 쓰면 좋을 거 같은데 어떤 경우에 Low-K 물질을 사용할까요?

위와 같은 절연막 말고 Metal 도선 같은 경우에는 Low-K를 사용합니다.

그 이유는 무엇일까요?

바로 딜레이 문제입니다.

https://kkhipp.tistory.com/62

RC딜레이 관련 포스팅입니다.

메탈 도선에 High k 물질을 사용하면 RC딜레이가 커지기 때문에 Low-K를 사용합니다.

High k = 누설전류 방지, Low k = RC 딜레이 방지

우선 둘 다 배터리와 관련된 용어입니다.

(PCM은 꼭 배터리만을 위한 용어는 아니고요)

https://www.aliexpress.com/item/1S-3-7V-3A-li-ion-BMS-PCM-battery-protection-board-pcm-for-18650-lithium-ion/32749481610.html

이렇게 BMS, PCM이 합쳐져서 제품으로 나옵니다.

배터리 제품들은 여러 개의 셀이 팩으로 만들어져 사용됩니다.

이 셀들이 전압이 다르다면 수명이 줄어들고 스웰링(부품)현상 등이 일어납니다.

이와 같은 문제들을 방지하려고 이런 보호회로(PCM, BMS)를 사용합니다.

그러면 이제 BMS, PCM을 알아보겠습니다.

PCM(Protection Circuit Module)

과충전 보호 기능 - 과충전 되면 화학 반응 가능성이 있기 때문

과방전 보호 기능 - 과방전이 되면 전지 손상 가능성이 있기 때문

과전류 차단 기능 - 전지나 회로 손상을 막기 위하여

단락 보호 기능 - 쇼트 방지

BMS(Battery Management System)

통신 기능 - 배터리 정보 통신

모니터 기능 - 배터리 잔량, 온도, 압력, 전압, 전류 등 모니터링 

계산 기능 - 잔량, 기록 등 계산

셀 밸런싱 기능 - 셀 전압 맞추기(저항을 통해 열로 소비하던가 충전 전류를 다르게 하던가 병렬로 맞추기) 등

                      액티브 밸런싱 - 충전과 동시에 밸런싱

                      패시브 밸런싱 - 밸런싱만 

결국 BMS는 잔량, 전압, 온도 등을 모니터링 하여 과도한 충전, 방전을 방지하여 

배터리의 안정성과 신뢰성을 높여준다.

결론적으로 PCM은 보호! BMS는 관리!

전기차 때문에 BMS의 중요성이 커지고 있다.

SoC = 충전 상태, SoH = 예상 수명

아날로그 회로 설계를 읽고

스텝다운 스위칭 레귤레이터

많은 경우에 레귤레이터로 일차 전압을 낮춰야한다. 

선형 변형기로도 가능하지만 스위칭 기반만큼의 효율을 얻기 힘들다.

앰프도 클래스 D(스위칭 기반)이 제일 좋지 않은가!

출력전압(DC 전위)은 입력보다 낮다 (인덕터가 스위치 ON 시간에 전류를 제한하기 때문)

이상적으로는 전압 스텝다운 변환에서는 전력을 소모한는 소자가 없다.

스텝다운은 효율이 높다.

스위칭 레귤레이터 설계를 위한 일반적인 고찰

인덕터 선택

자성체 과년 사항들은 스위칭 레귤레이터 설계에서 흔히 문제를 일으킨다. 

인덕터가 자속을 감당할 수 없는 상황이 오면 포화되어버린다.

용량이 낮은 자심에 감아서 만든 높은 값의 부품은 시작은 좋지만 급격히 포화 상태로 향한다.

현실적으로 적절한 인덕터를 선택하는 법은 무수히 많은 인덕터들을 테스트해서 선별하는 것이다.

기판배치

주요신호, 주파수 보상, 되먹임의 복귀 전류등을 높은 값의 복귀 전류와 섞지 말아야 한다.

AC와 DC 성능의 균형을 잘 맞추는 접지 방법을 마련해야 한다. 이런 경우에 접지 면이 도움이 된다.

다이오드

Breakdown 조건과 전류 조건, 스위칭 규격 확인!

스위칭 규격은 역방향 회복 시간(순방향으로 전류를 흘린느 주기 동안 전하를 저장하기 때문에 발생) 과

순방향 켜짐 시간이 있다.

주파수 보상

RC완충기 네트워크로 충분

신호의 지연이 생기는 이유는 출력이 LC필터가 있기 때문?

스위칭 레귤레이터 효율

손시은 크게 접합, 저항, 구동, 스위칭, 자기적 손실 등이 있다.

반도체 접합은 손실을 만든다. 다이오드의 전압 강하! 저전압 레귤레이터에서는 상당한 양을 차지한다.

쇼트키 다이오드는 손실이 적은 편 그러나 여전히 손실은 상당한 편

게르마늄은 접합 손실은 적지만 스위칭 손실 때문에 안 쓴다.

LT1074의 출력 스위치는 PNP가 전력 NPN을 구동하게 되어있다. 

스위치의 전압 강하는 전류가 높을 시 2V가까이 된다.

이러한 강하의 영향은 입력 전압을 크게하면 줄일 수 있다.

흠. 스위치 포화 효과와 다이오드 전압 강하에 의한 손실은 확인하기가 쉽지 않다.

간단하게 상대적으로 손실을 판단하는 방법은 소자의 온도 상승을 측정하는 것이다.

모빌리티 한국말로는 이동도라고 합니다.

모빌리티에 영향을 주는건 크게 두가지 요인으로 볼 수 있습니다.

Scattering(온도가 많은 영향을 줍니다.), 도핑 농도

온도와 도핑 농도라고 볼 수도 있고 산란도(Scattering)와 도핑 농도라고도 볼수 있죠.

먼저 Scattering부터 보겠습니다. 

1. Lattice Scattering(격자 산란)

온도↑ -> 실리콘 원자의 진동 ↑ -> 충돌 ↑-> 격자 산란 ↑ -> 이동도 ↓

2. Ionized Impurity Scattering(불순물 산란) 

온도 ↓ -> 캐리어 열적운동 ↓ -> 불순물 원자와 캐리어의 상호작용 ↑ -> 불순물 산란 ↑ -> 이동도 ↓ 

이런 관계라면 격자 산란과 불순물 산란은 온도에 따른 반대의 관계를 가지게 됩니다.

최종적인 온도에 따른 이동도 관계입니다.

비교적 저온에서는 불순물 산란이 지배적이고 고온에서는 격자 산란이 지배적입니다.

도핑농도

그렇다면 도핑농도에 따른 모빌리티는 어떨까요?

일단 도핑농도가 증가하면 모빌리티는 감소합니다.

그만큼 장애물이 많아지기 때문이겠지요.

여기서 추가로 저항을 생각해보겠습니다.

저항도 도핑농도와 반비례 관계를 가지고 있습니다.

그렇다면 도핑농도가 10000배 변하면 저항이 1/10000배 될까요??

정답은 1/1000배 되는 것입니다. 여기서 왜 10배가 덜 변할까요?

바로 모빌리티가 추가적으로 저항에 영향을 주기 때문입니다.

비저항 공식입니다. 도핑 농도가 10000배되고 이에 따른 이동도가 1/10배가 변해

결과적으로 저항은 1/1000배가 되는겁니다.

농도, 온도에 따른 전체적인 모빌리티 그래프입니다.

https://slideplayer.com/slide/236062/

페르미 레벨에 따라서 Degenerate, Nondegenerate로 나뉘는 걸 볼 수 있습니다.

여기서 Degenerate랑 Nondegenerate란 무엇일까요?

도핑 농도에 따라서 페르미레벨이 달라집니다. 

N type에선 도핑을 많이 하면 페르미 레벨이 높아지고 P type에선 낮아집니다.

그리고 N type에서 Ec와 차이가, P type에서 Ev와 차이가 3kT보다 작을 때 Degenerate라고 합니다.

Degenerate는 반도체가 금속의 특성을 가지는 구간입니다.

Nondegenerate는 반도체의 특성이라 생각하면 되고 도핑한만큼 캐리어 개수가 생기는 구간입니다. 

보통 반도체는 Nondegenerate구간에 페르미레벨을 잡아줍니다.