[Chapter-2] PCB 노이즈, 공진, 임피던스
안녕하세요. 설계 경력 20년의 KlayLee입니다. 오늘부터 이어지는 포스팅은 PCB 노이즈에 관해 좀 더 쉽게 접근할 수 있도록 눈높이를 낮춰서 작성해 보려 합니다. 어느 정도 이론적인 정립이 완성되면 구체적인 PCB의 EMC강건설계에 관해서 하나씩 포스팅을 이어나가겠습니다.
PCB의 노이즈란?
PCB 노이즈란 말 그대로 PCB에서 발생하는 노이즈(잡음)를 말합니다. 전자 제품의 기능이 복잡해지고 시스템이 점점 더 고도화 될수록 PCB의 노이즈 문제 역시 더욱 더 해결하기 어려운 상황으로 가고 있습니다. 이런 상황일수록 PCB에 노이즈가 유입되는 경로와 이론적인 원리를 이해하는 것이 가장 중요합니다.
노이즈란 사전적 의미 그대로 잡음을 의미합니다. 그렇다면 PCB에 유입되는 노이즈는 무엇이 있을까요? 대표적으로 1)신호 잡음, 2)전원에 의한 스위칭 노이즈, 3)열잡음 등이 있습니다. 노이즈가 지나치게 많으면 신호의 품질을 떨어뜨리게 되어 이러한 잡음을 완전히 제거하는것은 불가능하고 최소화 하기 위해 엔지니어들은 고생을 합니다. 노이즈의 근원을 찾아서 최소화하는 것이 필요합니다. 실제 현장에서 엔지니어들이 할 수 있는 일은 발생이 예측되는 노이즈를 최대한 줄이고 제어함으로써 잡음이 확산되거나 전달되는 것을 최소화 되도록 PCB의 패턴 설계를 진행합니다.
가장 먼저 전력을 전달하는 전원(Vcc, Vdd)으로부터 각 능동 회로의 전원부 까지 이어지는 전송로가 깨끗해야 하고, 신호 배선간의 간섭을 최소화하고 불필요한 잡음의 유입을 최소화 해야 합니다. 앞으로 이어나갈 포스팅에서 하나씩 다뤄보도록 하겠습니다.
공진 (Resonance)
공진이란 얘기를 들어 보셨나요? 공진이란 단어는 공학용어이지만 우리의 일상생활에서도 자주 사용하는 용어이기도 합니다. 서로 다른 에너지의 파장(주파수)가 동시에 일치할 때 그 주파수에서 에너지가 집중되는 현상을 공진이라고 합니다. 두 남녀가 서로를 알아가는 과정중에 갑자기 호감이 생기면서 사랑에 빠지는 순간을 ‘공진했다’ 라는 표현을 사용하기도 합니다. 서로를 알아가는 과정은 각자의 주파수가 다른 순간이고 사랑에 빠진 순간은 둘의 주파수가 일치하면서 서로의 감정이 극대화되는 순간을 공진 주파수라고 합니다. 이해 되시나요?
전자회로 관점에서 다시 설명하면 서로 반대되는 인덕턴스(L)와 캐패시턴스(C) 성분이 존재할 때 두 성분이 같은 복소값을 가지면서 두 성분의 합이 0이 되는 순간이 있습니다. 공진이 발생하는 거죠. 다시 말해 자기장(L)과 전기장(C)에 특정 주파수의 에너지 성분이 축적되어 있지만 임피던스 관점에서 자기장과 전기장을 더하면 합이 0이 되어 마치 없는 것 처럼 보이게됩니다. 하지만 에너지는 보존되어 있습니다. 의도된 공진은 목적에 맞게 잘 활용할 수 있지만 의도하지 않은 주파수에서 에너지가 집중이 된다면 이 부분은 노이즈가 되는 것이죠.
공진은 물리적 구조의 파장에 의존합니다. 어떤 구조물의 입체적 형상과 크기에 의존하기 때문에 공진 분석이 무척 어렵습니다.
그렇다면 PCB에서는 어떤 일들이 벌어질까요? 수없이 많은 신호 배선들과 전원단, 회로부품들의 레이아웃, PCB의 층수, via 등등 이러한 복잡한 물리적 구조들로 인해 발생하는 공진을 어떻게 예측하고 예방할 수 있을까요? 앞으로 포스팅할 내용들에서 상세하게 다루도록 하겠습니다.
임피던스(Impedance)
임피던스는 부하(Load)라고도 합니다. 단위는 ohm 입니다. 저항이라는 말입니다.
직류(DC)에서는 저항 R이라고 하지만, 교류(AC)에서는 복소수jX를 붙여서 Z(Impedance)라고 합니다. 교류라는 의미는 주파수가 있다라는 의미이고, 임피던스는 주파수 값에 따라서 저항값이 달라진다라는 의미입니다.
☑️ 임피던스(Z) = 전압(V)/전류(I)
임피던스를 단순하게 공식을 가지고 해석한다면 정해진 전압에서 얼마나 전류의 흐름을 방해하는가? 라고 해석 할 수 있습니다. 옴의 공식 저항(R) = 전압(V)/전류(I)과 동일합니다. 차이는 주파수가 있느냐 없느냐의 차이일 뿐이죠.
위의 내용들이 처음 접하시는 분들은 단어가 생소하거나 이해가 잘 되지 않은 부분들이 있을겁니다. 그럴경우 그냥 이런게 있구나 정도로 가볍게 읽으시면 좋을 것 같습니다. 관심을 갖고 자주 읽다보면 어느새 자연스럽게 내가 아는 것처럼 되더라구요. 반복의 힘이라고 할까요?