[PCB EMI] 저주파와 고주파 등가 회로 (23)

저주파 등가 회로 vs 고주파 등가 회로: 모델링의 차이점 완벽 분석

전자 회로 설계에서 중요한 요소 중 하나는 주파수 특성에 따라 회로를 어떻게 모델링하느냐입니다. 특히 저주파와 고주파 영역에서는 회로 요소의 동작 방식과 그 영향을 받는 정도가 크게 다르기 때문에, 적절한 등가 회로 모델을 선택하는 것이 필수적입니다. 이 글에서는 저주파와 고주파에서 사용되는 등가 회로 모델의 차이점과, 고주파 설계 시 반드시 고려해야 할 요소들에 대해 자세히 설명합니다.

 

저주파 등가 회로: 단순하고 이상적인 모델

저주파 회로는 일반적으로 수 kHz 이하 또는 수 MHz 이하의 범위를 의미합니다. 이 영역에서는 회로를 구성하는 부품(저항, 인덕터, 커패시터 등)이 이상적인 특성을 갖는다고 가정합니다. 즉, 각 부품은 저항값, 인덕턴스, 커패시턴스 등 주요 전기적 특성만을 고려하며, 실제 배선이나 부품 패키지에서 발생하는 기생 성분은 무시할 수 있습니다.

저주파 회로에서는 전자기파의 파장이 회로의 크기에 비해 훨씬 크기 때문에, 회로의 모든 지점에서 전압과 전류가 거의 동시에 변한다고 가정할 수 있습니다. 이런 조건에서는 집중 소자 모델이 유효하며, 분석과 시뮬레이션도 간단해집니다.

 

고주파 등가 회로: 현실적이고 복합적인 모델

고주파 회로는 수백 MHz 이상, 특히 GHz 대역부터는 단순한 이상적 모델로는 동작을 정확하게 설명하기 어렵습니다. 이 영역에서는 부품 자체에 내재된 기생 성분이 무시할 수 없을 정도로 커지며, 배선과 PCB 패턴까지도 회로의 일부로 간주해야 합니다.

예를 들어, 실제 인덕터는 인덕턴스 외에도 직렬 저항과 병렬 커패시턴스를 갖고 있으며, 커패시터도 리드 인덕턴스를 포함한 복합 임피던스를 형성합니다. 이 외에도, 트랜지스터 패키지, 소켓, 연결선 등 다양한 요소에서 기생 인덕턴스와 커패시턴스가 발생할 수 있습니다.

 

기생 성분의 발생 원리와 회로에 미치는 영향

• 기생 인덕턴스: 전류가 흐르는 도체는 자기장을 형성하고, 전류가 빠르게 변할 경우 유도 전압이 발생합니다. 이러한 특성은 도선, 패턴, 부품 리드선 등 어디에서나 나타날 수 있습니다.
• 기생 커패시턴스: 서로 인접한 도체 사이에는 전기장이 형성되며, 전하가 축적되는 커패시터처럼 동작합니다. 이 역시 PCB 라인 간, 부품 사이 간격에서 자연스럽게 발생합니다.

주파수가 증가하면 인덕턴스에 의한 임피던스(Z = jωL)는 증가하고, 커패시턴스에 의한 임피던스(Z = 1/jωC)는 감소하여 회로 전체 특성에 큰 영향을 미칩니다. 공진 주파수가 변하거나, 의도치 않은 필터 특성이 나타나는 등 예기치 못한 회로 동작을 유발할 수 있습니다.

 

등가 회로 모델링 시 고려할 점

고주파 회로를 해석할 때는 단순한 RLC 값 외에도, 부품의 주파수 응답 특성, 패키지 모델, PCB 설계상의 기생 성분을 모두 포함한 정밀한 등가 회로 모델이 필요합니다. 이를 기반으로 시뮬레이션하거나, 스미스 차트와 같은 도구를 활용해 임피던스 정합을 확인합니다.

반면 저주파 회로는 전기 신호의 파장이 회로 크기보다 훨씬 크기 때문에 이러한 세부 요소를 생략하고도 충분히 신뢰할 수 있는 분석이 가능합니다. 따라서 두 영역에서의 모델링 접근법은 기본 전제부터 완전히 다릅니다.

 

마무리하며

회로를 설계하거나 분석할 때 가장 먼저 고려해야 할 요소는 회로가 동작할 주파수 대역입니다. 저주파 회로에서는 단순하고 명확한 이상적 모델로도 충분하지만, 고주파 회로에서는 현실적인 기생 성분과 선로 특성을 포함한 정밀한 등가 회로 모델링이 필수적입니다. 회로의 신뢰성과 성능을 확보하기 위해서는 이러한 모델링의 차이를 정확히 이해하고 상황에 맞게 적용할 수 있어야 합니다.