DC Resistance으로 인한 IR Drop

보드에서 사용되는 소모 전류량이 큰 경우 전원을 판(plane)으로 디자인 하는 경우가 많다. 이 때 판 구성을 어떻게 하는 것이 저항을 적게 하는데 효율적인 것인인지 살펴 보자. -  전원을 판으로 만들면 신호의 리턴 경로로 사용할 수 있는 있점도 있다.

아래 제일 위 그림은 600mm x 400mm 크기의 보드로 A부분에서 B 부분으로 파워를 전달하는 경우를 보여주고 있다. 흐르는 전류는 40A로 매우 큰 전류다. 저항 성분으로 인한 전압 강하를 최소화 하기 위해서 판 전체를 단일 파워 네트로 설정하였다. A-B 구간의 저항 성분은 시뮬레이션 결과 대략 13.5 mohm으로 나왔다. 결과적으로 0.54 V의 전압 강하가 보드에서 일어난다.

그럼 판의 크기를 반으로 줄이면 결과는 어떻게 될까? 반으로 줄어든 판을 다시 반으로 줄인다면?

위 테이블은 판을 반으로 줄여가며 DC Resistance가 얼마나 줄어드는지 살펴본 결과이다. 판의 면적을 1/4로 줄여도 DCR은 2%정도밖에 증가하지 않는다. 즉 IR Drop도 2% 정도 밖에 증가하지 않는다는 것이다. 1/8정도 줄었을 때 의미 있는 변화가 발생하기 시작한다.

위 보드에서는 A-B 구간과 같은 곳이 4 곳 있었기 때문에 여러 파워-그라운드 plane pair도 4개를 사용하였다. 층 8개의 레이어를 파워 공급을 위해 사용한 것이다. 그런데, 위 결과를 보면 판을 1/4로 줄여도 DCR에 큰 차이가 없음을 볼 수 있었다. 따라서 판의 싸이를 기존보다 1/4로 줄이고 대신 남는 면적에 다른 파워-그라운드 쌍을 배치하는 식으로 구성하면 2개의 레이어로 기존 8개의 레이어로 구성한 것과 비슷한 결과를 얻을 수 있다. 그리고 1/4 크기로 구성된 파워-그라운드 쌍을 8 레이어를 활용해 배치하면 DCR을 기존 것 대비 1/4로 줄일 수 있다. 즉 IR Drop을 기존 0.54 V에서 0.135V로 낮출 수 있다.

여기서 알아야 할 것은 판이 커진다고 해서 무조건 저항이 줄어드는 것은 아니라는 것이다. 어차피 판과 연결되는 지점은 포인트 개념 이고, 이 포인트로 전류들이 밀집되어야 하기 때문에 포인트로부터 일정 거리를 벗어나면 판이 커져서 저항이 줄어드는 효과가 확연히 떨어질 수 있다.