PCB의 PDN 기본 사항 이해

잘못 설계된 PDN의 결과는 간헐적인 문제부터 완전한 시스템 장애에 이르기까지 심각합니다.

이 주제에 대해 정리한 정보를 읽어보시기 바랍니다. 가이드를 통해 PCB에서 PDN 설계의 중요한 측면을 살펴보는 데 동참해 주세요.

PCB 설계에서 PDN의 중요성

PCB 설계에서 전력 무결성을 유지하는 것은 설계를 반복할 때마다 증가하는 과제입니다. 코어 전압이 1.2V 이하로 감소함에 따라 전류 요구량이 필연적으로 증가하여 IR 강하(IR 강하 = I * R)가 증가합니다. 또한, 더 컴팩트한 전자기기를 만들기 위해서는 더 적은 수의 레이어와 더 조밀한 회로 설계가 필요하기 때문에 전력망을 위한 공간이 줄어들게 됩니다. 비아는 전력망에 '스위스 치즈' 효과를 발생시켜 더 많은 복잡성을 야기합니다.

PCB 설계자의 삶은 이메일, 전화 등 다양한 커뮤니케이션 채널을 통해 전달되는 하드웨어 설계자 또는 전력 무결성 엔지니어의 다양한 지침을 해석하거나 기존의 통념을 따르는 등 PDN 과제로 가득 차 있습니다. 이러한 지침은 수많은 전원 공급 장치에 걸쳐 동화되어 적용되어야 합니다. 그 후 설계자는 종종 비현실적인 시간 내에 크기를 최소화하고 레이어와 구성 요소를 줄여야 하는 추가 요청에 직면하게 됩니다.

전자파 간섭(EMI) 고려 사항

회로 속도가 증가함에 따라 내부 및 외부 소스에서 발생하는 EMI에 대한 민감성이 더 시급한 문제가 될 수 있습니다. EMI 관련 문제를 완화하기 위해 전력 및 접지면을 전략적으로 구성하면 효과적인 차폐를 제공할 수 있습니다.

그라운드 바운스 문제 해결

디지털 신호를 동시에 스위칭하면 동시 스위칭 노이즈(SSN) 또는 접지 바운스가 발생할 수 있습니다. 이는 메모리 또는 데이터 버스에서 일반적으로 발생하며 신호 레벨이 의도한 기준 접지 레벨로 돌아가지 못하고 그 이상으로 튀어 오르게 할 수 있습니다. 

이러한 노이즈는 적절한 회로 작동을 방해하고 잘못된 스위칭을 유도할 수 있습니다. 강력한 PDN은 접지 레벨을 안정화하여 이러한 영향을 최소화합니다.

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전력 리플 관리

또한 전원 공급 장치의 스위칭 동작으로 인해 노이즈나 리플이 발생하여 인접 회로에 누화가 발생하고 해당 회로의 신호 무결성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

PCB에서 PDN 임피던스 정의

PDN은 전원 및 접지 플레인, 상호 연결 버스, 전력 안정성을 촉진하는 디커플링 커패시터, 1차 전원 레일에 연결되는 모든 구리 피처를 포함하여 전압 및 접지 레일에 연결된 모든 구성 요소를 포괄합니다. PDN 임피던스는 집적 회로(IC)에 대한 연결에서 발생하는 커패시턴스 및 인덕턴스와 같은 기생 효과로 구성됩니다.

PDN 임피던스에 큰 영향을 미치는 주요 기생 요소는 다음과 같습니다:

  • 평면 커패시턴스 - PDN의 평면 레이어 사이에 존재하는 커패시턴스입니다.
  • 커패시터 인덕턴스 - 커패시터 리드의 기생 인덕턴스는 자체 공진에 영향을 미칩니다.
  • 트레이스 인덕턴스 - 전력 공급 트레이스가 전체 PDN에 유도적으로 기여합니다.

PCB 설계에서 PDN 임피던스가 중요한 이유

고속 및 고주파 설계자들 사이에서 PDN 임피던스의 중요성은 잘 알려져 있으며, 조만간 모든 설계자는 발전하는 기술과 함께 이 지식을 채택해야 할 것입니다. 여기에서는 PDN 임피던스가 PCB 동작에 미치는 중요한 영향을 통합적으로 살펴봅니다:

전원 버스 노이즈의 영향

과도 전류는 PCB 내에서 전압 변동이나 리플을 유발할 수 있으며, 이는 다양한 주파수에 걸친 PDN의 임피던스 프로파일에 직접적으로 영향을 받습니다.

전원 버스 진동 감쇠

디커플링 커패시터의 크기가 부적절하거나 자체 공진 주파수를 무시하여 전원 버스에서 링잉 또는 감쇠된 진동이 나타날 수 있습니다.

적절한 디커플링의 필요성

기존 커패시터는 제한된 자체 공진 주파수(약 100MHz)로 인해 고속 로직 PCB에서 충분한 디커플링을 제공하지 못하는 경우가 점점 더 많아지고 있습니다. 이를 보완하기 위해 설계자는 고속 및 고주파 PCB 애플리케이션에서 적절한 디커플링을 달성하기 위해 평면 간 커패시턴스 및 GHz 범위의 자체 공진 주파수를 가진 최신 커패시터를 활용하고 있습니다.

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