[PCB EMI] PDN의 개념 (71)

전력 공급 네트워크(PDN): PCB 속 전력 고속도로

여러분의 스마트폰, 컴퓨터, 각종 전자기기들이 끊김 없이 작동하는 이유는 무엇일까요? 그 핵심에는 기기 내부의 모든 부품에 안정적으로 전력을 공급하는 전력 공급 네트워크(Power Distribution Network, PDN)가 있습니다. 마치 도시의 도로망처럼, PDN은 전원이 필요한 곳까지 전기를 빠르고 정확하게 전달하는 PCB(Printed Circuit Board) 속 숨은 고속도로입니다.

이번 글에서는 PDN이 무엇인지, 그리고 왜 전자기기의 성능에 핵심적인 역할을 하는지에 대해 그림과 함께 알아보겠습니다.

 

PDN, 단순히 전선이 아닙니다

PDN은 단순히 몇 가닥의 전선을 의미하지 않습니다. 전력을 공급하는 시작점인 전압 조절 모듈(Voltage Regulator Module, VRM)에서 시작해, PCB 내 넓은 전원면(Power Plane), 전류가 되돌아오는 접지면(Ground Plane), 층간 전력을 연결하는 비아(Via), 전원 신호를 연결하는 얇은 선로(Traces), 순간 전류를 보완하는 디커플링 커패시터(Decoupling Capacitors)까지, 모든 구조물이 유기적으로 연결되어 하나의 네트워크를 구성합니다.

결국, 전원 공급 장치부터 전력을 많이 소모하는 마이크로프로세서나 FPGA 같은 칩의 내부까지 전류가 흐르는 모든 경로가 PDN의 일부입니다.

 

왜 PDN의 안정성이 중요할까요?

고성능 디지털 칩은 짧은 시간에 급격히 많은 전류를 소모했다가 다시 줄이는 패턴을 반복합니다. 이처럼 빠르게 변하는 전류(di/dt)가 PDN의 내부 저항, 인덕턴스 등의 전기적 특성과 만나게 되면 전압 노이즈(Power Noise)가 발생합니다. 이는 마치 고속도로에 차량이 급증하면 정체가 생기는 것과 유사합니다.

이러한 전압 노이즈는 다음과 같은 문제를 일으킬 수 있습니다.

• 신호의 정확도가 떨어집니다
  전원이 불안정하면 디지털 회로의 기준 전압이 흔들려, 데이터 신호의 타이밍이 어긋나거나 오류가 발생할 수 있습니다.
• 성능 저하 및 오작동 위험이 생깁니다
  전력이 순간적으로 부족하면 칩이 제대로 동작하지 않거나, 심할 경우 시스템이 멈추는 오작동이 발생할 수 있습니다.
• 전자파(EMI)가 발생할 수 있습니다
  PDN에서 생긴 전압 노이즈는 PCB 전체를 하나의 안테나처럼 만들어 불필요한 전자파가 외부로 방출되기도 합니다. 이는 다른 기기나 사용자에게 영향을 줄 수 있는 요소입니다.

 

마무리하며

PDN은 눈에 보이지 않지만 고성능 전자기기에서 가장 중요한 기반 중 하나입니다. 안정적인 PDN 설계란 단순한 연결을 넘어서, 전류의 흐름을 예측하고 제어하는 과정을 포함합니다. 칩이 필요한 시점에 필요한 전력을 공급받을 수 있어야 하며, 이를 위해 낮은 임피던스를 유지하고 전압 노이즈를 최소화하는 설계가 필수적입니다.

PDN을 이해하고 제대로 설계하는 것은, 전자기기의 신뢰성과 성능을 극대화하기 위한 핵심 기술 중 하나입니다.