[PCB EMI] 동시 스위칭 노이즈 (SSN) (70)

동시 스위칭 노이즈의 파급 효과: 신호 무결성 저해

동시 스위칭 노이즈(Simultaneous Switching Noise, SSN)는 고속 디지털 회로에서 출력 핀들이 동시에 스위칭하면서 발생합니다. 이로 인해 발생한 전류 변화는 L·di/dt에 의해 전압 강하를 유도하고, 그 영향은 전원 및 접지 라인 전반으로 퍼져나가 신호 무결성에 부정적인 영향을 줍니다.

 

SSN은 어떻게 신호 무결성을 해치나?

디지털 IC의 출력 핀에서 시작된 SSN은 PCB의 전력 공급 네트워크(PDN) 전체로 확산됩니다. 이는 단순한 전원 노이즈가 아닌, 시스템 전반의 신호 안정성에 영향을 미치는 핵심 원인입니다.

• 출력 신호의 왜곡
  출력 핀(VOUT)에서 발생하는 SSN은 상승 및 하강 시간 저하, 링잉(ringing), 스큐(skew)와 같은 파형 왜곡을 유발합니다. 이러한 왜곡은 수신 측에서 타이밍 오류나 신호 레벨 오판으로 이어져 데이터 전송 오류로 발전할 수 있습니다.
• 입력 신호의 오동작
  SSN은 입력 핀(VIN)의 기준 전압에도 영향을 줍니다. 접지 바운스나 전원 바운스가 기준점을 흔들면, 동일한 입력 신호라도 실제보다 높거나 낮게 인식되어 잘못된 동작을 유발합니다.
• EMI 방출 증가 및 노이즈 마진 감소
  SSN은 전원 및 접지면 전체에 걸쳐 급격한 전압 변화를 유도하며, 이로 인해 PCB가 안테나처럼 작동하면서 EMI(전자기 간섭)를 외부로 방출하게 됩니다. 또한 노이즈 마진이 감소해 외부 간섭에 취약해지고, 디지털 신호의 안정성이 떨어집니다.

 

SSN을 줄이기 위한 실질적인 대책

SSN은 완전히 없앨 수는 없지만, 적절한 설계로 그 영향을 효과적으로 억제할 수 있습니다.

• 디커플링 커패시터
  칩 근처에 배치된 커패시터는 순간적인 전류 요구를 충족시키고, di/dt로 인한 전압 강하를 줄여줍니다. 고주파 특성이 좋은 커패시터를 적절한 위치에 배치하는 것이 중요합니다.
• 낮은 임피던스의 PDN 설계
  전원 및 접지층의 임피던스를 낮추면 L·di/dt로 발생하는 전압 변동이 줄어듭니다. 넓은 면적, 짧은 전류 경로, 낮은 인덕턴스의 비아 사용이 효과적입니다.
• 출력 드라이버 제어
  출력 드라이버의 전류 구동 능력을 제한하거나 스위칭 속도를 조절해 급격한 di/dt 상승을 방지하는 것도 실용적인 접근입니다.

 

마무리하며

동시 스위칭 노이즈는 단순한 전원 노이즈가 아니라, 시스템 전반에 걸쳐 신호 품질을 저해하는 주요 원인입니다. 고속 디지털 회로에서는 전력 무결성과 신호 무결성이 긴밀히 연결되어 있으며, SSN을 제어하는 설계적 접근이 안정적인 시스템 구축의 핵심입니다.