[Chapter-3] 임피던스와 노이즈의 관계, 전자장해석
임피던스와 노이즈의 관계
- Resonance = High Impedance
- High Noise Voltage = Noise Current × High Impedance
이 공식 이해가 가시나요? 공진과 임피던스의 관계를 노이즈의 관점에서 풀어 쓴 공식입니다. V=I⋅Z 즉 입력 임피던스가 높다는 사실은 작은 전류성분의 노이즈가 발생하더라도 임피던스 성분과 결합하여 다른 주파수보다 큰 전압 노이즈로 발생합니다. 위의 공식대로 말이죠. 그렇기 때문에 PCB상에서 원치 않는 공진, 즉 특정 주파수대에서 불필요하게 높은 임피던스는 그 주파수대에서 노이즈가 쉽게 결합된다는 의미입니다.
이제까지의 내용을 정의해 보면 다음과 같습니다.
- 어느 특정 주파수대에서 에너지가 집중되는 현상을 공진이라고 합니다.
- 임피던스가 높으면 같은 전류에서 더 큰 전압이 실립니다. (V=IZ)
- 의도하지 않은 주파수에서의 공진은 입력 임피던스(부하)를 증가시키며 그 주파수대에 작은 전류 잡음이라도 끼게 되면 더 큰 전압 노이즈로 나타나게 됩니다.
- 이러한 의도하지 않은 공진은 PCB를 어떻게 설계하느냐에 따라 물리적 구조와 관계가 깊습니다.
전자장 해석
지금까지 얘기한 내용은 불필요한 공진 주파수의 에너지는 노이즈를 더욱 키우는 악영할을 미치기 때문에 PCB상에 어느 부분에서 공진이 발생하는지 분석이 가능하다면 노이즈에 취약한 주파수를 찾아낼 수 있습니다.
하지만 일반적인 회로를 해석할 경우 회로 자체가 가지고 있는 정해진 속성값만을 기준으로 값을 얻을 수 있기 때문에, PCB의 물리적 구조를 반영한 노이즈 해석이 불가능합니다. 그렇기 때문에 PCB의 노이즈 해석을 위해서는 전자장 해석이 필요합니다. 전자장 해석은 PCB의 입체적인 구조/크기/재질을 그대로 이용해서 맥스웰 방정식(Maxwell equation)으로 공진 주파수를 찾아 냅니다.
다시 정리해 보자면 PCB상의 공진 부분을 찾아내기 위해서는 회로도의 속성과 PCB의 속성 및 물리적 구조가 전부 반영이 되어야 찾아낼 수 있는데, 개인이 계산을 통해서 찾아 내는 것이 가능할 수도 있지만 엄청난 지식과 시간 및 노력이 필요하기 때문에 자동으로 해석할 수 있는 해석 툴이 있습니다.
여러 업체에서 이러한 해석 툴들을 제공하고 있고 비용은 억대라고 보시면 됩니다.
대부분 매년 라이센스 비용을 지불하고 1-Copy당 수천만원에서 1억원을 초과하기도 합니다. 전자장 해석 툴을 구매 했다고 하더라도 해석 툴을 운영하기 위한 전문적인 지식이 필요하고, 해석 결과를 제대로 이해하고 문제점을 해결할 수 있는 능력이 있어야 합니다. 그냥 부품의 속성을 넣고 자동으로 시뮬레이션되어 나오는것이 아니랍니다. EMC에 대한 전반적인 이해 없이 EMC해석 툴을 덜컥 사버리면 애물단지가 됩니다. 판매 업체에서 많은 도움을 주긴 하지만 제품의 설계자가 아니다 보니깐 3자적 입장에서 해석을 하다 보면 놓치는 부분이 생길 수 밖에 없습니다. 결국엔 설계자가 완벽하지는 않더라도 전체를 다 이해할 줄 알아야 초기 설계부터 EMC 예방설계가 가능하고, 문제가 발생하더라도 빠르게 trouble shooting이 가능합니다.
PI & SI
PI는 Power Integrity로 전력 무결성이라고 해석할 수 있습니다. 말 그대로 노이즈가 없는 깨끗한 전원 공급을 의미합니다. PCB가 동작을 하기 위해서는 전원공급이 필요합니다. PCB 곳곳에 배치된 IC나 회로 부품들에게 전원이 공급이 되어야 동작이 가능한거죠. PI는 PCB의 전력공급 체계를 안정화 시키는 작업이라 생각하시면 됩니다. 전원 입력 자체에 노이즈가 포함되어 있다면 이후 단계에서 어떤 문제점이 발생될지 생각만 해도 머리가 아프네요.
SI는 Signal Integrity로 신호 무결성이라 해석할 수 있습니다. 노이즈가 없는 깨끗한 신호를 의미합니다. 최근 전자제품들의 시스템이 급속히 고도화가 되고 있습니다. 신호는 점점 더 빨라지고 PCB공간은 점점 더 줄어들고 사양은 점점 더 복잡해 지는 상황입니다. SI는 이렇게 제한된 공간 내에 여러 배선들이 얽혀 있어서 각각의 신호들이 온전하게 전달되게 하는 일련의 과정이라고 생각하시면 됩니다.
그럼 다음 포스팅에서 좀더 깊은 이야기를 나눠 보시죠