76. PCB Plane 캐패시터

PCB 설계 심화: Plane 캐패시터의 비밀과 고주파 전원 무결성

PCB 설계에서 전원 무결성(Power Integrity)은 시스템 성능에 직접적인 영향을 주는 핵심 요소입니다. 이번 글에서는 PCB 자체에 내장된 숨은 캐패시터, 즉 Plane 캐패시터가 고주파 설계에서 어떤 역할을 하는지 살펴보겠습니다.

PCB Plane 캐패시터란 무엇일까요?

전통적인 캐패시터는 부품 형태로 실장되지만, PCB 내부의 Power Plane과 Ground Plane은 넓은 면적으로 마주 보는 도체층이기 때문에 유전체(FR4 등)를 사이에 두고 자체적으로 캐패시터 역할을 합니다. 이를 Plane 캐패시터 또는 Bare Board 캐패시터라고 부릅니다.

Plane 캐패시터는 수 나노패럿(nF) 수준의 용량을 가지며, 일반적인 디커플링 캐패시터보다 작은 용량이지만 고주파 대역에서는 매우 효과적으로 작동합니다.

Plane 캐패시터의 용량 계산과 영향 요소

Plane 캐패시터의 용량은 다음과 같은 공식으로 계산됩니다.

C = ε0 × εr × (W × L) / h

• ε0: 진공의 유전율 (약 0.225pF/inch)
• εr: 유전체의 비유전율 (FR4의 경우 약 4.2~4.7)
• W: Power Plane의 폭
• L: Power Plane의 길이
• h: Power-Ground 간 거리

Plane 캐패시터의 용량을 높이는 방법은 다음과 같습니다.

• Power Plane 면적을 넓히기
• Power와 Ground Plane 간의 간격을 줄이기
• 비유전율이 높은 유전체 재료 사용

Plane 캐패시터가 임피던스에 미치는 영향

임피던스-주파수 특성을 보면, Plane 캐패시터는 다음과 같은 역할을 합니다.

• 저주파 영역: VRM과 대용량 캐패시터가 임피던스를 제어
• 중간 주파수: 일반 디커플링 캐패시터의 역할이 중요
• 고주파 영역 (수십 MHz 이상): Plane 캐패시터가 낮은 ESL로 임피던스 상승을 보완

Plane 캐패시터는 고주파 대역에서 일반 캐패시터보다 훨씬 낮은 ESL(등가 직렬 인덕턴스)을 가지므로, 고주파 리플 억제에 유리합니다.

타겟 임피던스와 전압/전류 변동 해결

IC가 작동하면서 발생하는 전이 전류(transient current)는 순간적으로 큰 전류를 요구하며, 이에 따라 전압 리플이 발생할 수 있습니다.

• 전이 전류: IC가 스위칭 시 순간적으로 요구하는 전류
• 리플 허용 범위: IC가 안정적으로 동작할 수 있는 전압 변동 한계

Plane 캐패시터는 고속 IC의 전류 요구를 빠르게 응답하며, 고주파 전압 리플을 흡수해 전원 무결성을 향상시킵니다. 따라서 Power/Ground Plane의 위치와 간격은 PDN 설계에서 매우 중요한 요소입니다.

마무리하며: PCB 자체의 숨겨진 잠재력

Plane 캐패시터는 별도의 부품 없이도 PCB 구조만으로 고주파 특성을 제어할 수 있는 중요한 수단입니다. 면적을 넓히고 간격을 최소화하는 설계 전략은 전원 무결성을 확보하는 데 필수적입니다.

Plane 캐패시터를 이해하고 적절히 활용하면, 고성능 회로에서의 안정적인 전원 공급과 시스템 신뢰성 확보에 크게 기여할 수 있습니다.