PCBInside

Current(전류)

전류가 무엇인지는 중학교 때부터 (요즘은 초등학교 때부터 배우는 지는 모르겠다) 귀가 닳도록 들었던 말이다. 그러나 모든 회로의 동작은 전류가 흐르면서 시작되기 때문에 가장 확실하게 알고 있어야 할 기초 개념이다. 모든 일은 기초가 튼튼해야 무너지지 않으므로, PCB 디자인에서도 이 개념을 제일 먼저 언급하지 않을 수 없다.

전류는 전자의 흐름이다. 매우 간단하다. 전류가 회로에서 어떻게 흐르고, 어떤 회로에서 어떤 현상이 발생하는 지를 배우게 되면, 전류의 흐름을 예측할 수 있다. 이렇게 되면 우리는 회로를 우리가 원하는 상태로 잘 동작 시킬 수 있다. 그러나, 전류의 흐름을 예측할 수 없다면, 우리는 어떤 문제가 거기서 발생할 지 알 수 없다는 것과 마찬가지 이다. 이것은 그저 운에 맡기는 것과 다를 바 없다.

사람의 몸에는 피가 돌고 있다. 피의 흐름이 매끄럽지 않으면 몸에 이상이 생긴다. 마찬가지로 전자가 회로에서 흐르게 될 때 매끄럽지 않으면 거기서 문제가 발생하기 시작한다. 사람 몸에서 피가 막힌 부분을 뚫어 주어야 되듯이, 전류의 흐름에 이상이 생기는 곳을 찾아서 해결해 주어야 된다.

전류에 대한 설명은 여러 각도로 이루어 질 수 있지만, 그런 설명은 학교에서 배운 교과서를 참고하라. 아주 자세히 나온다. 여기서는 정성적으로 꼭 알아야 하는 핵심 내용 하나만 이야기 하겠다. 그것은 바로, 전류의 흐름은 연속적이라는 것이다. 즉 회로는 반드시 loop를 형성해야 한다. Loop를 형성하지 않으면 전류가 흐르지 않게 된다. 대부분의 경우 어떤 식으로든 loop가 형성이 된다. 그런데, 그렇게 형성된 loop가 원래 설계자가 의도한 경우가 아닌 경우가 종종 발생한다는 것이 문제이다. 그리고 이런 문제는 가장 기본인 전류의 흐름을 아직도 완벽히 이해하지 못한 데서 출발 한다. 일반적으로 회로도(schematic)을 보면 신호 선들은 명백하게 표현이 되지만 그 신호가 돌아오는 선에 대해서는 잘 보이지 않는다. 아래 그림은 초보자들이 수 십 번 되새겨 보아야 할 그림이다. 그런데, 아래 회로가 실제 PCB로 제작되었을 때 어떻게 구현이 될 지 상상해 보는 연습도 필요하다.

Voltage(전압)

보드 디자인에서 전압은 사실 전류보다는 덜 중요하게 생각할 수도 있다. 왜냐하면, 많은 경우 전류가 흐른 결과로서 전압이 나타나는 데, 문제가 되는 부분은 원하지 않는 전류의 흐름으로 전압이 예상과 달라지는 경우이기 때문이다. 즉, 우리는 전류의 흐름을 통제 하고자 하는 것이지 전압을 통제하고 하는 것이 아니다. 전압은 그저 전원에서 주워진 값을 그대로 사용하는 경우가 대부분이다.

그래도, 전압은 전류와 뗄래야 뗄 수 없는 관계이므로 살펴보자. 전류의 경우와 마찬가지로 핵심적으로 알아야 할 정석적 개념만 알아보도록 하겠다. 나머지 기본적인 설명들은 기존의 교과서에 아주 잘 기술되어 있으니 필요할 때 참고 하면 된다.

모든 책들이 전압을 설명할 때 물에 비유를 많이 한다. 이 비유는 너무나 좋은 비유이므로 여기서도 그래도 사용하겠다. 파이프에 물이 흐른다고 하자. 물이 흐르려면 파이프의 어느 쪽에선가는 물을 밀어내는 압력이 필요하다. 그리고 흐르는 물의 양은 압력의 세기에 영향을 받는다. 물의 흐름에 대한 파이프 영향은 어떨지 생각해 보자. 이 때 파이프 한 쪽 끝에서 물을 밀어 내는 압력은 일정하다고 가정하자. 파이프의 굵기가 좁아지면 흐르는 물은 줄어들게 되고 파이프의 굵기가 굵어지면 흐르는 물은 늘어나게 된다. 파이프의 굵기는(좀 더 정확하게는 파이프의 모양) 물의 흐름에 영향을 준다.

이제 물의 흐름을 전류의 흐름과 비교하자. 물의 흐름은 전류라고 할 수 있다. 그리고 이 전류가 흐를 수 있도록 밀어내는 힘이 바로 전압이다. 파이프에 해당하는 것을 conductor(도체)라고 부르며, 이 도체의 모양이나 특성에 따라서 전류가 바뀔 수 있다. 파이프 중간에 팔랑개비나 물탱크를 달면 물의 흐름에 영향을 줄 수 있는데, 마찬가지로 회로에서도 도체 사이에 inductor(인덕터)나 capacitor(캐퍼시터)를 달아서 전류의 흐름에 어떤 영향을 줄 수 있다.

다시 한번 정리하면, 전압은 전류가 흐르게 하는 힘이므로, 전압이 없으면 전류는 흐를 수 없게 된다. 반대로 전류가 흐르게 되면 거기에는 반드시 전압이 존재하게 된다. 그런데, 주의해야 할 사항은 전류가 흘러서 형성된 전압이 처음에 우리가 전원으로 준 전압과는 다를 수 있다는 점이다. 그것은 그 회로 상에 어떤 소자들이 형성되어 있느냐에 따라 달라진다. 물론 회로 디자이너가 의도적으로 넣은 소자는 이미 고려된 부분이므로 문제되지는 않을 것이다. 그러나, 기생적으로 만들어지거나, 디자이너가 미처 생각하지 못한 부분들(그냥 도체로 생각한 부분들)이 소자처럼 동작해서 원하지 않는 전압 레벨을 만들어 낸다.

위 식은, 전류는 전압이 존재할 때, 즉 0이 아닐 때 흐르게 되며, 도체(혹은 회로 상의 소자)의 임피던스(impedance)의 영향을 받는다는 사실을 알려준다.

전압은 전류를 흐르게 해주는 힘, 그 이상도 이하도 아니다.

Frequency (주파수)

신호란 무엇인가? 일반적으로 신호는 전압의 상태를 말한다. 전압이 높거나 낮음에 어떤 의미를 부여한 다음 그 전압의 상태를 읽어서 의미를 해석하게 된다. 전류의 흐름을 제어해서 전압의 상태를 우리가 원하는 상태로 만들 수 있다. 물론 반대로 전압을 제어해서 전류의 흐름을 통제할 수 도 있을 것이다. 여기서는 일반적인 칩과 칩 사이에서 신호를 주고 받을 때를 가정한다.

전류의 흐름에 변화가 없을 때를 우리는 DC라고 부른다. 즉 흐르는 전류의 양이 일정하거나 없을 때이다. 이 경우에는 전류에 변화가 없으므로 전압에도 변화가 없고 당연히 신호의 상태에도 변화가 발생하지 않는다. 반면에 전류의 흐름에 변화가 생기면 전압의 상태에도 변화가 생기고 신호의 상태에도 변화가 생긴다. 이런 경우를 AC라고 한다.

전류의 변화는 무엇으로 통제할까? 그것은 IC 속에 있는 ‘트랜지스터’ 라고 하는 스위치를 가지고 한다. 이 스위치를 켜거나 꺼서, 전류를 흐르게 하거나 흐리지 않게 한다. 이 때, 스위치를 켜거나 끄는 동작이 이루어지는 최소 주기를 operating frequency(동작 주파수)라고 한다. 일반적으로 디지털 엔지니어들이 말하는 주파수가 바로 이 주파수 이다. 그런데 실제로 전류의 흐름을 보면, 스위치가 동작하는 시간에 전류의 변화가 발생을 하고 일단 스위치 동작이 끝나고 나면 전류의 흐름은 일정하게 된다는 것이다. 따라서 신호의 현상(전류 흐름에 의한 현상)에 가장 큰 영향을 주는 것은 동작 주파수가 아니라, 스위치가 동작하는 시간이다. 이 스위칭 타임이 신호의 rise time 혹은 fall time이라고 불리는 시간이다. 신호가 low 상태에서 high 상태로 가거나 high 상태에서 low 상태로 변하는데 걸리는 시간이다. 그래서 어떤 신호를 살펴보면, 거기에는 rise time에 해당하는 최고 주파수의 신호를 포함해서 그것의 1/3, 1/5, …… 주파수 성분과 동작 주파수와 그것의 배수에 해당하는 주파수 성분이 포함되어 있다.

엔지니어가 종사하는 분야에 따라서 주파수가 의미하는 바가 다르다. 앞서 언급 되었듯이 디지털 분야에서는 동작 주파수를 주파수라고 한다. 이런 신호는 대부분 구형파(square wave) 모양을 하고 있다. RF 분야에서 말하는 주파수는 사인파(sine wave) 이다. 그리고 실제로 보드 디자인에서 중요한 부분도 바로 사인파 모양이다.

요즘 만들어지는 보드의 대부분이 디지털 보드이다. 따라서, 거기서 말하는 주파수를 그대로 적용하면 안되고 그것을 사인파로 환산한 주파수를 디자인 시에 고려해야 한다. 데이터시트에 rise time이 나와 있다면 그대로 적용하면 되고, 그렇지 않다면 경우에 따라서 동작주파수의 최소 3배 혹은 5배를 곱한 주파수를 사용하는 것이 바람직하다. 수 백 MHz를 넘어서는 고속 신호에서는 최소 3배를 곱하고 100 MHz 이하에서는 최소 5배 이상을 곱해주는 것이 바람직하다. 이것은 커넥터나 케이블 등의 인터컨넥션 관련 부품을 선정할 때 중요한 기준이 된다.

다시 한 번 강조하면, frequency = 1 / rise time 이다.