PCBInside

PDN (Power Distribution Network)

  PCB에서 전류의 흐름에는 크게 2가지가 있다. 하나는 칩(혹은 각종 소자)과 칩 사이에서 흐르는 전류 – 우리는 이것을 ‘신호’ 라고 부른다 – 이고, 다른 하나는 전원과 칩 사이에 흐르는 전류이다. 신호선에서는 깨끗한 신호를 목적지까지 보내기 위해서 균일한 임피던스를 유지해야 하는 것이 중요하다. 그러나 전원선(혹은 판)에서는 균일한 임피던스가 아니라 최대한 작은 임피던스를 유지해야 하는 것이 중요하다. 그리고 어느 정도까지 작은 임피던스를 유지해야 할 지를 결정해야 한다(이것은 다이나믹하게 소모되는 잔류량과 관련이 있다).

  기본적으로 파워선은 도체로 이루어져 있고 전류가 그 도체를 통해 흐르기 때문에 저항과 인덕터의 직렬 조합으로 모델링할 수 있다. 그리고 또한 전원선은 power 라인과 ground 라인 사이에 기생 캐퍼시턴스 성분도 포함하고 있다. 그런데 대부분의 파워선은 굵게 그리거나 판으로 그리기 때문에 저항 성분은 매우 작다. 또한 저항 성분은 전원부에서 센싱(sensing)을 통해서 보상이 이루어지기 때문에 크게 문제가 되지 않는다. 따라서 저항을 생략하고 간략히 모델링을 하면 전원에서부터 전류가 소모되는 부하까지는 아래와 같이 모델링 될 수 있다.

  전원 자체도 내부에 인덕턴스 성분을 많이 가지고 있다고 볼 수 있다. 왜냐하면 칩에서 전류를 빠르게 요구해도 실질적으로 우리가 사용하는 전원 부품들은 빠르게 전류를 줄 수 없는데, 즉 요구 전류에 대한 반응 속도가 매우 느린데, 이것이 인덕터의 전형적인 속성이다. 사실 전원의 인덕터 속성이 전원선의 기생 인덕터 보다 더 크다. 여기서는 이상 전원에 단일 inductor로 묘사 했다. 위 그림과 같이 Inductor와 capacitor의 조합으로 된 전원에서 부하(칩 혹은 소자)까지의 회로를 PDN(power distribution network)이라 한다. PDN의 임피던스가 낮으면 전원을 그대로 부하에 인가할 수 있지만, PDN의 임피던스가 높으면 PDN에 일정 부분의 전압이 걸려서 부하에서는 전압 강하가 일어난다. 결과적으로 전원 마진을 줄이게 되고, 심하면 에러를 유발할 수도 있다. 아래는 PDN의 한 예를 나타낸 임피던스 그래프 이다.

  이상적인 PDN은 임피던스가 0 인 경우로, 이때는 전류의 소모량에 상관없이 부하에 항상 전원에서 인가한 전압이 모두 걸린다. 그런데 실제 PDN은 인덕턴스 성분 때문에 주파수가 증가함에 따라서 임피던스가 증가한다.

  그러다가 파워선의 기생 캐퍼시턴스 성분으로 인한 공명 주파수에서 최대의 임피던스를 보이고 그 후 기생 캐퍼시턴스의 영향으로 임피던스가 낮아진다.

SSN (Simultaneous Switching Noise)

  칩에 전류를 공급하는 것은 패키지의 power 혹은 ground 핀을 통해서 이루어진다. power 혹은 ground 레일과 실제 디바이스와의 연결에는 어떠한 도체가 사용될 것이고 이 부분은 다른 도체의 경우와 마찬가지로 인덕턴스 성분을 가질 수 밖에 없다. 그리고 이 기생 인덕터를 통해서 dynamic current가 흐르면, 전압이 여기에 유도되고 실질적으로 칩에는 정상적인 전압보다 낮은 전압이 걸리게 되는데 이것을 power droop이라고 한다. 칩에서 소모된 전류는 ground 핀을 타고 ground 레일로 흘러 들어가는데 이 경우도 역시 기생 인덕터에 전압이 유도되어 칩에서 느끼는 ground가 실제 ground 레일보다 높은 전압을 가질 수 있다. 이렇게 ground가 붕 뜨게 되는 것을 ground bounce라고 한다.

  그라운드 바운스는 그라운드 핀의 기생 인덕턴스 성분 때문에 발생한다. 이 때 기생 인덕터에 유발 되는 전압의 크기는 물리적인 L값의 영향도 받지만, 흐르는 전류의 양에 영향을 받는다. 전류가 많이 흐르면 흐를수록 더 높은 전압이 유발되고 그라운드 바운스는 더 심해진다. 이렇게 높아진 그라운드는 칩의 오 동작을 유발할 수 있다. 많은 칩이 신호를 주고 받기 위해서 여러 개의 입출력 핀을 가지고 있다. 이 입출력 핀들을 통해서 신호가 나갈 때, 동시에 모든 핀의 신호가 high이거나 low이면 칩의 ground나 power 핀으로 흐르는 전류의 양이 급격히 증가하게 되고 그라운드 바운스를 급격히 심하게 만든다. 이것을 SSN(혹은 SSON)이라고 부른다.

  SSN은 power를 흔들고 대부분에서 기준으로 사용되는 그라운드도 흔들어서, SSN을 유발한 신호뿐만 아니라 다른 신호들까지 왜곡시키는 효과를 가져온다. SSN은 특히 위상이 다른 신호를 왜곡 시킨다.

  요즘 고속 인터페이스의 추세는 시리얼(serial) 인데, 그 이유가 바로 SSN을 줄이기 위함이다. 또 하나의 예로서 신호가 고속화 되면서 패키지의 power와 ground 핀이 예전보다 많아지고 있는 데, 그 이유가 rise time(switching time)이 짧아지고 있기 때문에, SSN을 예방하려면 핀을 늘려 L 값을 줄여주어야 짧아진 rise time을 보상할 수 있기 때문이다.

  디커플링이란 커플링(coupling)이 되지 않도록 하는 것이다. Coupling이란 결합한다는 뜻이므로, decoupling은 분리한다는 뜻이다. 무엇을 분리한다는 것일까? Power에 섞여 있는 noise를 분리해 낸다는 것이다. 파워에는 저주파 노이즈나 고주파 노이즈가 끼어 있을 수 있다. 노이즈가 발생하는 원인은 전원회로와 PDN이 이상적이지 않기 때문이다. 즉 부하에서 원하는 전류에 대응하지 못하기 때문에 파워가 출렁거려서 나타나는 현상이 노이즈 이다(외부에서 유인된 경우는 제외). 이러한 노이즈는 동적인 전류가 흐르는 곳에서 유발이 되므로, 노이즈 원은 전원 회로 혹은 부하가 될 수 있다. 노이즈 원에서 발생한 노이즈는 다른 곳으로 커플링 되기 전에 바로 그 곳에서 없어지도록 해결하는 것이 가장 좋고, 그렇게 하는 것이 디커플링이다. 따라서 디커플링 캐퍼시터는 노이즈원에 최대한 가깝게 위치해 있는 것이 좋다. 디커플링 캐퍼시터는 파워에서 발생한 노이즈 성분을 그라운드로 빼주는 역할을 한다. 그래서 노이즈 원에서 발생한 노이즈가 파워의 다른 깨끗한 부분으로 넘어가지 않도록 차단하는 역할을 한다. 노이즈는 어디서 유발되었는지에 따라서 특정한 주파수 성분을 가지고 있으므로, 효과적으로 노이즈를 제거하기 위해서는 노이즈 주파수와 가까운 공명 주파수를 갖는 캐퍼시터를 사용하는 것이 바람직하다.

  디커플링과 유사한 것으로 바이패스(bypass)라는 것이 있다. 바이패스는 신호가 흐르는 루프를 구성하는 하나의 요소로 신호를 우회시키는 것이다. 만약에 바이패스 캐퍼시터가 없다면 신호가 어떤 다른 경로를 찾으면서 큰 임피던스 불연속을 경험하게 되는 경우가 있다. 이런 경우 신호에 왜곡이 발생할 것이다. 바이패스는 좀 더 작은 임피던스의 경로를 제공해서 신호의 품질을 유지시켜 준다. 따라서 바이패스 캐퍼시터는 신호를 통과시키기에 적절한 공명주파수를 가지고 있는 것이 좋으며, PCB에서 물리적인 위치는 신호선 주변이어야 한다. 좀 더 정확히 하자면 드라이버 칩의 power 혹은 ground 핀 주변이어야 한다(혹은 레퍼런스가 바뀌는 부분에서 사용할 수도 있다). 바이패스와 디커플링은 목적에 분명한 차이가 있지만, 둘 다 사용되는 위치와 효과가 비슷해서 유사한 역할을 한다.