PCBInside

많은 디지털 시스템이 시스템 클락과 관련된 주파수에서 과도한 파워 노이즈로 고통을 받는다. 아래 그림 같은 직렬 공진 회로가 파워와 그라운드 플레인 사이에 연결되어 그런 노이즈를 감소시킬 수 있을까? 대답은 그렇다 이다. 그러나 일어날 것 같지 않은 다음 조건을 회로가 만족해야만 한다.

이 네트워크의 임피던스는 공명 주파수에서 그것의 가장 작은 값을 얻는다.

먼저, 시스템 클락 주파수는 고정된 채로 있어야 한다. 크리스털로 제어되지 않는 클락 시스템에서 클락 주파수는 ±30% 이상 오락가락 할 수 있다. 저 전력 시스템은 종종 클락을 느리게 해서 아이들(idle) 때에 파워를 줄인다. 고 성능 시스템은 때때로 성능을 얻기 위해서 속도를 가변시킨다. 진단 테스트에서, 시스템 클락을 느리게 해서 어떤 타이밍 관련 실패를 드러낼 수 있다. 정확한 노이즈 주파수로 조심스럽게 튜닝 된 노이즈 완화 전략을 채용한 전원 공급기는 이런 조건에서 잘 작동할 수 없다.

직렬 공진 회로의 매력적인 점은 그것이 작은 커패시터 값을 사용하도록 허용하는 것이다. 적절한 인덕턴스와 레지스턴스 값과 커패시터가 매치되게 해서 직렬 공진 효과를 만들 필요가 있다. 불행히, 커패시터가 작을수록, 회로는 더 정교해져야 한다.

예들 들어, 일반적인 값의 1/5의 커패시터는 ±10% 오차를 가진 커패시터와 인덕터 부품을 필요로 한다. 일반적인 값의 1/10의 커패시터는 ±5%의 오차를 필요로 한다. 등등. 그런 타이트한 오차를 가진 고주파 인덕터를 구현하는 것은 어렵다. 고정된 레이아웃 인덕턴스를 생각하고 원하는 위치에 직렬 공진 포인트를 놓기 위해 작은 커패시턴스 값을 계획했다면, 같은 어려움에 직면할 것이다. 커패시턴스와 인덕턴스의 정확한 값을 쉽게 제어할 수 없다.

다음 조건으로, 클락은 연속적으로 중단이나 갭 없이 반복되어 플레이 되어야 한다. 클락이 멈추면, 공진 회로는 돌면서 통제 불능으로 빠져서 완화하려고 한 문제만큼 나쁜 교란을 만들 것이다. 클락이 다시 시작할 때 공진 회로는 따라 잡는데 몇 클락이 필요할 것이다. 이 기간은 이득이 없다. 공진 회로는 연속적인 자극에만 유용하다. 랜덤 데이터 이벤트로부터 노이즈를 예방하는 것은 영향이 없다.

보호 되어야 할 어떤 장치의 한 파장의 작은 파편 내에 직렬 공진 회로가 놓이게 해야만 한다. 그 제한된 반경 내에서 파워와 그라운드 플레인의 스프레딩 인덕턴스가 공진 회로의 유효 직렬 인덕턴스를 바꾼다. 결론적으로, 공진 회로의 정확한 자리는 매우 중요한 문제다. 따라서 완전한 재 디자인 없이 레이아웃을 대체할 수 없다. 더 나쁜 것은, 한 위치에서 발산하는 클락 노이즈에 대해 상당한 감쇠를 제공하는 공진 요소가 다른 소스로부터의 노이즈에는 이익을 제공하지 않거나 심지어 노이즈를 키울 수 있다.

마지막으로, 공진 회로는 단지 하나의 주파수에서만 노이즈를 감쇠시킨다는 것을 기억하라.  그것은 클락 레이트의 다른 하모닉에서 효과가 없거나 아주 작다. FM이나 AM 라디오 같은 싸인파 기반 시스템에서, 공진 파워 공급 부품은 진짜로 놀라운 이익을 제공할 수 있다.

다양한 클럭 스피드가 시작과 멈춤을 하고 한 버전에서 다음으로 갈 때 레이아웃이 계속 변하는 디지털 시스템에서, 공진 파워 공급 필터 부품의 사용은 KISS(Keep It Simple, Stupid) 테스트를 통과하지 못한다. 디지털 파워 시스템은 크고, 간단하며, 공진 없는 바이패스 커패시터를 많이 사용하는 것이 낫다.

출처: EDN magazine, 2012.3.1, by Howard Johnson.

참고: KISS 원칙

KISS는 “Keep it simple, stupid”의 약자로 1960년에 미 해군에서 주장한 디자인 원칙이다. KISS 원칙은 대부분의 시스템이 그것이 복잡하게 만들어지는 것보다 간단함을 유지해야만 더 잘 작동한다는 것을 말한다. 따라서 간단함이 디자인에서 주요 목표가 되어야 하고 불필요한 복잡함은 피해야만 한다. 변형된 문구로 “Keep it short and simple”과 “keep it simple and straightforward”가 있다.

이 말은 로키드 스컹크 웍스 – U2, SR-71 블랙버드 등을 제작 - 에서 엔지니어를 리드한 켈리 존슨이 반복적으로 사용하면서 유명해졌다. 이 말이 엔지니어가 바보라는 말은 아니다. 오히려 반대이다. 이 원칙은 디자인 엔지니어 팀을 다루는 존슨의 이야기에서 잘 예시된다. 도구가 빈약한 전투 조건 하에서 평범한 메카닉에 의해서 수리될 수 있도록 제트 항공기가 디자인 되어야만 하는 것은 도전이다. 따라서 “stupid”는 디자인(혹은 수리 작업)을 쪼개는 방식과 그것을 수리할 수 있는 지식 사이의 관계를 가리킨다. 이 약어는 미 공군과 소프트웨어 개발 분야에서 많이 사용된다.

Resonance (공진)

먼저, 앞에서 언급된 소자들의 임피던스 특성을 살펴보자. 소자를 통해서 흐르는 전류는 파워를 제외하고는 대부분 AC이기 때문에 임피던스 특성을 살필 때 주파수의 함수로 보는 것은 매우 타당하다. 편의상 스케일을 log scale로 한다.

 저항은 주파수와 무관하고, 캐퍼시터는 주파수가 증가함에 따라서 임피던스가 낮아지고, 인덕터는 주파수가 증가함에 따라서 임피던스가 높아진다. 그러나 우리가 실제로 사용하는 소자들은 이상적인 단독 형태의 소자들이 아니다. 캐퍼시터의 경우 기생 inductance 성분이 있고, inductor의 경우에도 기생 capacitance가 있다. 따라서 실제의 소자들은 C와 L이 직렬로 연결되거나 병렬로 연결된 경우이다. 이런 경우의 impedance 특성은 아래와 같다.

C와 L이 조합이 되면 흥미로운 현상이 벌어지는데, 공진(resonance) 혹은 공명 이라고 하는 것이 발생한다. 이것은 낮은 주파수에서 주요하게 작용하던 성분이 주파수가 올라가면서 그 성분은 점점 줄어들고, 반대로 낮은 주파수에서는 힘을 쓰지 못하던 성분이 주파수가 올라감에 따라서 힘을 얻어서 두 성분간에 힘의 크기가 똑같아 졌을 때 발생한다. 이 경우는 리액턴스 성분이 0이 되어 임피던스는 레지스턴스 성분만 갖게 되는, 0에 가까운 저항 혹은 엄청 큰 메가급 저항처럼 보이게 된다. 이것이 발생할 때의 주파수를 공진(혹은 공명) 주파수라고 한다.