전원 무결성과 EMI

고속 회로에서 전원은 직류가 아니다. 부품이 스위칭할 때마다 전류를 순간적으로 끌어가고, 그 전류가 전원망의 임피던스(impedance)를 만나 전압이 흔들린다.

신호 무결성(signal integrity) 문제로 보이는 것의 상당수가 전원 문제다.

1. PDN — 전원 분배망을 임피던스로 본다

전원망을 “얼마나 굵은 배선인가” 가 아니라 주파수마다 임피던스가 얼마인가로 본다.

목표 임피던스 ≈ 허용 전압 변동 ÷ 과도 전류

부품이 100 mV 안에서 동작해야 하고 순간 전류가 5 A 라면 목표는 20 mΩ 이다. 그 값 아래에 임피던스 곡선이 그 아래에 있어야 하며, 유지해야 하는 구간은 직류부터 부품이 요구하는 대역 끝까지다.

1.1 곡선의 모양

구간	임피던스를 정하는 것
직류 ~ 수십 kHz	레귤레이터의 응답
수십 kHz ~ 수 MHz	대용량 벌크 커패시터
수 MHz ~ 수백 MHz	세라믹 커패시터와 그 실장 인덕턴스
수백 MHz 이상	평면 커패시턴스와 부품 내부의 커패시터

높은 주파수로 갈수록 보드가 할 수 있는 일이 없어진다. 부품 핀에서 커패시터까지의 인덕턴스가 지배하기 때문이고, 그래서 그 대역은 부품 안에서 해결된다.

2. 디커플링 — 값보다 루프

커패시터는 자기 공진 주파수까지만 커패시터다. 그 위에서는 인덕터로 동작한다. 그래서 용량이 다른 여러 개를 겹쳐 배치한다.

실무 규칙	이유
고주파용은 핀 가까이 — 수 mm 안	거리가 곧 인덕턴스다
비아(via)를 짧게, 패드(pad)에 붙여서	루프 면적(loop area)을 줄인다
같은 값 여러 개를 나눠 배치한다	병렬로 인덕턴스가 줄어든다
용량 종류를 지나치게 늘리지 않는다	사이사이에서 반공진이 생긴다

주의

용량이 다른 커패시터를 병렬로 두면 그 사이 주파수에서 임피던스가 오히려 솟는다. 한쪽은 이미 인덕터가 되었고 다른 쪽은 아직 커패시터인 구간에서 병렬 공진이 일어나기 때문이다. 종류를 늘려 “촘촘히 덮는다” 는 접근이 역효과를 내는 자리다.

배치 관점의 규칙은 배선·배치 실무 §8.1 에서 다룬다 — 값이 아니라 루프가 지배한다는 것이 요지다.

3. 평면 공진

전원면(power plane)과 접지면(ground plane)은 한 쌍의 커패시터이면서 평면 도파관이다. 그래서 보드 크기에 대응하는 주파수에서 공진한다.

증상	결과
특정 주파수에서 임피던스가 솟는다	그 주파수 성분을 쓰는 부품에서 전압이 흔들린다
가장자리에서 전자기장이 누설된다	방사(§5)

대응은 셋이다 — 면을 나누지 않기, 커패시터를 분산 배치하기, 가장자리를 스티칭하기.

4. 동시 스위칭 잡음

출력 여러 개가 동시에 바뀌면 전류가 한꺼번에 몰린다. 그 전류가 전원·접지의 인덕턴스를 지나며 기준 전압 자체를 흔든다.

• 접지가 흔들리면 그 부품이 보는 논리 임계값이 흔들린다
• 출력이 많고 빠를수록 커진다 — 폭이 넓은 버스(bus)에서 문제가 된다
• 대응은 리턴 경로(return path) 확보 · 디커플링 · 구동 세기 낮추기 · 동시 전환 수 줄이기

구동 세기를 낮추는 것이 가장 값싼 대응인 경우가 많다. 필요 이상으로 빠른 에지는 얻는 것 없이 문제만 키운다.

5. EMI — 외부로 방사되는 성분

방사는 대개 공통 모드 전류가 만든다. 차동 신호가 대칭이면 두 선의 장이 상쇄되지만, 비대칭이 생기는 순간 상쇄되지 않는 성분이 남고 그것이 안테나를 만난다.

방사원	대응
기준면(reference plane)이 끊긴 자리의 리턴 우회	면을 끊지 않는다
평면 가장자리	안쪽으로 물리기(전원면을 접지면보다 들여 그린다) · 가장자리 스티칭 비아(stitching via)
케이블·커넥터로 나가는 공통 모드	커넥터 접지 처리 · 공통 모드 초크
차동 쌍(differential pair)의 비대칭	짝 내 스큐 관리(설계 기법 §4)

참고

가장 큰 안테나는 보드가 아니라 거기에 꽂힌 케이블이다. 보드 안의 배선(routing)은 짧아서 잘 방사하지 않지만, 케이블에 실린 공통 모드 전류는 파장에 견줄 만한 길이를 얻는다. 그래서 EMI 측정에서 케이블에 흐르는 공통 모드 전류를 먼저 재는 것이 순서다.

6. 확정 전 점검 항목

축	확인
목표	전원마다 목표 임피던스를 계산했는가
목표	부품이 요구하는 대역 끝까지 목표선 아래인가
디커플링	고주파용이 핀 가까이 있는가
디커플링	커패시터 비아의 루프가 짧은가
디커플링	용량 종류를 필요 이상으로 늘려 반공진을 만들지 않았는가
평면	전원면·접지면이 조각나 있지 않은가
평면	가장자리 스티칭이 있는가
전환	참조가 전원면↔접지면으로 바뀌는 자리에 커패시터가 있는가
구동	필요 이상으로 빠른 에지를 쓰고 있지 않은가
케이블	커넥터의 접지 처리가 정해져 있는가