[PCB EMI] 목표 임피던스 계산 (73)

타깃 임피던스 계산 완벽 이해하기

안녕하세요! 지난 시간에는 PCB 설계에서 전원 무결성(Power Integrity)의 핵심인 '타깃 임피던스(Target Impedance)'의 중요성에 대해 알아보았습니다. 오늘은 그 중요한 타깃 임피던스를 어떻게 계산하는지에 대해 심층적으로 다루어보려 합니다. 이론적인 계산식부터 실제 적용 사례까지 상세히 설명하여 PCB 설계 입문자분들은 물론, 더욱 심도 있는 이해를 원하는 중급자분들께도 도움이 될 수 있도록 준비했습니다. 안정적인 시스템 설계를 위한 필수 지식, 지금부터 함께 살펴보시죠!

 

타깃 임피던스, 왜 계산해야 할까요?

타깃 임피던스는 전원 공급 네트워크(PDN)가 특정 IC에 안정적인 전력을 공급하기 위해 가져야 할 '최대 허용 임피던스'를 의미합니다. 이 값을 정확하게 계산하는 것은 전압 변동(Voltage Ripple)을 허용 가능한 범위 내로 유지하여 IC의 오작동을 방지하고, 고속 신호의 무결성(Signal Integrity)을 확보하는 데 결정적인 역할을 합니다. 단순히 이론적인 값을 아는 것을 넘어, 실제 설계에 적용하기 위한 계산 방법을 익히는 것이 중요합니다. 이 계산값은 PDN 설계의 시작점이 되며, 시뮬레이션과 측정의 기준점이 됩니다.

 

타깃 임피던스 계산 공식의 이해

타깃 임피던스(Ztarget)는 기본적으로 IC에 인가되는 전압 변동을 허용 가능한 범위 내로 유지하기 위한 최대 임피던스입니다. 가장 기본적인 계산식은 다음과 같습니다.

Z_target = Max Transient Current / (Supply Voltage × Allowed Ripple%)

여기서 각 변수는 다음과 같습니다.

• Supply Voltage: IC에 공급되는 공칭 전압 (예: 5V, 3.3V)
• Allowed Ripple(%): 허용 가능한 전압 변동률 (일반적으로 2% ~ 5% 적용)
• Max Transient Current: IC가 순간적으로 소모할 수 있는 최대 과도 전류

일반적으로 Max Transient Current는 IC의 최대 전류(Imax)의 절반 값으로 추정하는 것이 보편적입니다.

 

예시를 통한 계산: 5V IC와 3.3V IC

주어진 자료를 바탕으로 실제 계산 예시를 살펴보겠습니다.

1. 5V IC 스택 기준

• Supply Voltage = 5V
• Allowed Ripple = 2%
• Max Transient Current = 최대 전류(1.5A)의 1/2 = 0.75A

Ztarget = 0.75A / (5V × 0.02) = 0.75 / 0.1 = 약 0.133Ω

2. 3.3V IC 스택 기준

• Supply Voltage = 3.3V
• Allowed Ripple = 5%
• Max Transient Current = 최대 전류(4A)의 1/2 = 2A

Ztarget = 2A / (3.3V × 0.05) = 2 / 0.165 = 약 0.0825Ω

이러한 계산 결과는 PDN 설계 시 달성해야 할 임피던스 목푯값이 됩니다. 설계자는 이 값 이하로 PDN의 임피던스를 낮추기 위해 VRM, PCB 레이아웃, 디커플링 커패시터 등을 최적화해야 합니다.

 

최대 전력 소모 기반의 타겟 임피던스 계산 (5% Ripple)

또 다른 타겟 임피던스 계산 방법은 최대 전력(Pmax)과 최대 전류(Imax)를 기반으로 합니다. 특히 IC의 전류 소모가 명확히 정의되지 않고 최대 전력값만 주어진 경우에 유용하게 사용될 수 있습니다.

Z_target = I_max / (VDD × Ripple%)

예를 들어, 1.2V 공급 전압의 IC가 6W를 소모한다고 가정할 때,

• Imax = P / V = 6W / 1.2V = 5A
• Ripple = 5% = 0.05

Ztarget = 5A / (1.2V × 0.05) = 5 / 0.06 = 약 0.083Ω

이 방식은 데이터시트에 명확한 전류값이 없을 때, 전력 기반으로 타깃 임피던스를 유추하는 데 유용합니다.

 

정리하며

타겟타깃 임피던스 계산은 PDN 설계의 출발점이자 기준선 역할을 합니다. 설계자는 각 IC에 맞는 전원 안정 조건을 정량적으로 이해하고, 해당 목표를 달성하기 위한 PCB 레이아웃, 커패시터 선택, VRM 설계를 체계적으로 접근해야 합니다. 타깃 임피던스는 단순한 수치가 아니라, 전원 무결성을 확보하기 위한 실질적인 기준값이라는 점을 명확히 인지하고 활용하는 것이 중요합니다.