[Chapter-4] PCB공진, 공진대책, 전자장해석의 중요성
PCB 의 공진
이전 포스팅에서 PCB의 구조적 공진이 곧 노이즈와 직접 관련이 있다는 것을 확인하셨을 겁니다. PI의 과정은 PCB의 전원과 GND의 구조적인 공진을 찾기 위해 전자장 해석을 사용합니다. 여기에서 한가지 분명히 해 두어야 할 것은 어떠한 시뮬레이션 툴 이라고 할지라도 정확한 노이즈 레벨을 산출하기 어렵습니다. 그렇기 때문에 시뮬레이션 결과는 경향을 확인하는 도구로 이용해야 합니다. 공진해석을 통해 공진주파수와 그 발생 위치를 찾았다 하더라도 모든 공진을 동시에 잡기도 힘들고 그럴 필요도 없습니다. 중요한 것은 제품의 동작에 악영향을 주는 주파수대의 공진만 잡아내면 된다는 겁니다. PCB상에서 공진이 발생하는 지점을 찾아냈다면 그 지점에서 주파수별 임피던스의 변화를 측정합니다. 임피던스가 높다는 것은 공진이 크게 발생하는 지점이고, 이는 작은 전류 노이즈라도 큰 임피던스와 곱해지면서 큰 전압노이즈로 변하게 됩니다.
공진 대책
공진 대책으로 임피던스를 낮추는 방법이 있습니다. 임피던스를 낮추게 되면 결과적으로 전압 노이즈가 작아집니다. 임피던스를 낮추는 가장 일반적이고 COST에 효과적인 소자가 바로 Decoupling capacitor입니다. Decoupling이란 의미는 결합하지 않겠다는 의미입니다. 캐패시터의 임피던스( Xc)=1/2πfc 이고 이 공식의 의미는 캐패시터의 임피던스 Xc는 주파수와 반비례한다는 것입니다. 즉 주파수가 높아질 수록 임피던스값은 작아지기 때문에 전압노이즈는 작아지게 됩니다. 또 다른 방법은 via를 잘 설계해야 합니다. 전원이나 Ground의 via 위치나 개수는 전원의 안정화에 중요한 역할을 합니다. 시뮬레이션 결과를 보고 임피던스가 높은 지역에 via개수를 증가시킵니다. via를 증가시키면 임피던스값이 낮아지는 효과가 있습니다.
Decoupling capacitor와 via수 조정으로도 임피던스를 낮추기 어렵다면, 전원 plane과 GND plane의 형상과 밀도를 조절하여 개선하는 방법도 있습니다.
전자장 해석의 중요성
전자장 해석(Electromagnetic Simulation)은 해석 대상을 자그마한 mesh라는 단위로 나누고 각 분할 구역에 대해 맥스웰 방정식(Maxwell Equation)을 푸는 방법입니다.
EMC가 어려운 이유는 문제를 예측하기도 어렵고 발견했다고 하더라도 원인과 대책 수립이 쉽지 않다는데 있습니다.. 현장에서는 이런 저런 이유로 현장에서 측정과 경험으로 잡아야 한다는 이야기를 많이 합니다. 최근에는 시뮬레이션 기술이 발달하여 여러가지 다양한 예측과 해결 방법이 제시되어지고 있습니다. 시뮬레이션이란 어떤 현상을 이론적인 수식으로 풀어내는 과정이고 물리 법칙에 근거한 시뮬레이션은 EMC문제를 해결하는 중요한 단서가 될 수 있습니다.
맥스웰 방정식(Maxwell Equation)을 이용한 해석방법은 전압, 전류 그리고 전자기파 등 모든 것을 정의하고 모델링하여 해석하기 때문에 해석 대상 전체를 한꺼번에 분석 결과를 얻을 수 있습니다. 하지만 정말 긴 해석 시간이 필요합니다. 퇴근 전에 돌려 놓고 가면 그 다음날 확인하기도 합니다. 그리고 상당한 수준의 이론적 지식이 필요합니다. 한두번 해 보다가 하루 이틀 그냥 날려버리는 경우가 허다하죠. 그럼에도 불구하고 SI 해석에 있어서는 가장 필수적인 해석 방법으로 평가가 되고 있습니다.
전자장 해석은 신호선들과 PCB의 물리적 구조물관의 관계를 그대로 계산하고 그 간섭량을 추출할 수 가 있습니다. 여러개의 신호 배선이 특별한 규칙 없이 배치된 복잡한 선로에서는 그 상태 그대로 구조 전체를 해석하는 전자장 해석법이 가장 효과적이라고 말할 수 있습니다.
조금씩 어려워 지고 있나요? 갑자기 맥스웰 방정식이 나오고 전자장 해석법이 나오니 어려우실겁니다. 그렇다고 고등학교때 배운 맥스웰 방정식을 다신 공부하실 필요는 없어요. 그냥 이런것들이 있구나 정도로만 가볍게 읽으시면서 넘어가셔도 됩니다. 그걸로도 충분하거든요. 그냥 개념적으로 이해 정도만 하시고 정말 관심이 가면 그때 상세하게 파악하셔도 됩니다. 그럼 다음포스팅에서는 어떻게 회로해석에 이용되는지에 대해서 알아보도록 하겠습니다.