[PCB EMI] 주파수 대역 별 캐패시터 역할 (80)

주파수 대역별 캐패시터 역할과 PDN 설계

PCB 설계에서 안정적인 전원 공급 네트워크(PDN)를 구축하는 것은 시스템 성능과 신뢰성을 좌우하는 핵심 요소입니다. 지난 글들에서 캐패시터의 기생 성분, 병렬연결의 중요성, 그리고 Plane 캐패시터의 역할에 대해 알아보았습니다. 이번글에서는 모든 지식을 통합하여 주파수 대역별로 어떤 캐패시터가 어떤 역할을 하는지 심층적으로 분석하고, 이를 바탕으로 PDN을 어떻게 설계해야 하는지에 대해 설명해 드리겠습니다. PCB 설계 입문자와 중급자 모두에게 PDN 최적화의 중요한 통찰을 제공할 것입니다.

 

PDN 구성 요소와 주파수 대역별 역할 분담

전원 공급 네트워크(PDN)는 단일 부품이 아니라, 전원 공급 장치(VRM)부터 IC 내부의 온-다이(On-Die) 캐패시터에 이르기까지 다양한 구성 요소들의 복합체입니다. 각 구성 요소는 특정 주파수 대역에서 전원 무결성(Power Integrity)을 확보하는 데 기여하며, 이들이 유기적으로 연결되어 넓은 주파수 대역에 걸쳐 타깃 임피던스(Target Impedance)를 만족시켜야 합니다.

PDN의 주요 구성 요소와 그 역할은 다음과 같습니다.

 

1. VRM (Voltage Regulator Module):
   • 주파수 대역: 매우 낮은 주파수부터 수십 kHz 대역까지의 임피던스를 담당합니다.
   • 역할: DC-DC 컨버터나 LDO(Low Dropout Regulator)와 같이 직류 전원을 공급하는 역할을 하며, 저주파 대역에서의 전압 안정성을 유지합니다. 하지만 기생 인덕턴스와 저항 성분으로 인해 고주파 특성에는 한계가 있습니다.
2. 벌크 캐패시터 (Bulk Capacitors):
   • 주파수 대역: 주로 수백 Hz ~ 수백 kHz 대역의 임피던스를 담당합니다.
   • 역할: VRM의 고주파 임피던스 상승을 보완하고, 시스템 전체의 큰 전류 변동에 대응하여 전압 리플을 줄이는 역할을 합니다. 전해 캐패시터나 탄탈 캐패시터와 같이 비교적 큰 용량을 가집니다.
3. 디커플링 캐패시터 (Decoupling Capacitors) 및 Plane 캐패시터 (Plane Capacitors):
   • 주파수 대역: 수백 kHz ~ 수백 MHz 대역의 임피던스를 담당합니다.
   • 역할: 고속 IC의 순간적인 전류 요구 사항을 충족하고, IC 자체에서 발생하는 전원 노이즈(바운스 노이즈)를 흡수하여 전원 레일의 안정성을 유지합니다. MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitors)가 주로 사용되며, PCB의 전원 Plane과 접지 Plane 사이의 Plane 캐패시터도 이 대역의 임피던스를 낮추는 데 기여합니다. 특히 Plane 캐패시터는 수십 MHz 이상의 고주파 대역에서 중요합니다.
4. 패키지 디커플링 (Package Decoupling):
   • 주파수 대역: 수백 MHz ~ 1GHz 대역의 임피던스를 담당합니다.
   • 역할: IC 패키지 내부에 내장되거나 IC 패키지에 매우 가깝게 실장 되는 작은 용량의 캐패시터들입니다. IC Die에 가장 가까운 곳에서 고주파 노이즈를 효과적으로 디커플링 하여 안정적인 전원을 공급합니다.
5. 온-다이 캐패시터 (On-Die Capacitors):
   • 주파수 대역: 1GHz 이상의 최고 주파수 대역의 임피던스를 담당합니다.
   • 역할: IC 칩(Die) 내부에 직접 통합된 캐패시터입니다. IC의 코어 로직에서 발생하는 초고주파 노이즈를 즉각적으로 흡수하고 평활화하여, IC가 최적의 성능을 발휘하도록 합니다. 이는 최후의 보루로서 전원 무결성을 책임집니다.

 

PDN 임피던스 특성과 최적화 전략

전체 PDN의 임피던스-주파수 특성 곡선을 보면, 낮은 주파수부터 높은 주파수까지 다양한 PDN 구성 요소들이 릴레이 방식으로 임피던스를 낮추는 것을 볼 수 있습니다.

• 저주파 (VRM 및 벌크 캐패시터): VRM은 낮은 주파수에서 충분한 전력을 공급하지만, 주파수가 높아지면 임피던스가 증가합니다. 이때 벌크 캐패시터가 VRM의 임피던스 상승을 상쇄하여 일정 수준까지 낮은 임피던스를 유지합니다.
• 중간 주파수 (디커플링 캐패시터 및 Plane 캐패시터): 벌크 캐패시터의 한계를 넘어서는 주파수 대역에서는 디커플링 캐패시터와 Plane 캐패시터가 임피던스를 낮추는 주된 역할을 합니다. 특히 MLCC와 같은 낮은 ESL 특성을 가진 캐패시터들이 중요합니다.
• 고주파 (패키지 디커플링 및 온-다이 캐패시터): 수백 MHz 이상의 고주파 대역에서는 패키지 내의 디커플링 캐패시터와 IC Die 내부의 온-다이 캐패시터가 핵심적인 역할을 수행하며, 가장 높은 주파수까지 임피던스를 낮게 유지합니다.

이러한 주파수 대역별 임피던스 제어는 마치 여러 개의 V자 형태 곡선이 연속적으로 이어져 전체적으로 낮은 임피던스 프로파일을 형성하는 것과 같습니다. 각 캐패시터 그룹이 자신의 "커버 주파수 영역"을 담당하여, 전체 PDN의 임피던스가 타깃 임피던스보다 낮게 유지되도록 설계해야 합니다.

 

마무리하며 : 계층적 PDN 설계의 중요성

주파수 대역별 캐패시터의 역할을 이해하고, 이를 바탕으로 VRM, 벌크 캐패시터, 디커플링 캐패시터, Plane 캐패시터, 패키지 및 온-다이 캐패시터에 이르는 계층적인 PDN 설계는 고성능 전자 시스템 구현에 필수적입니다. 각 대역에서 적절한 캐패시터를 선택하고 배치함으로써, IC에 안정적인 전력을 공급하고 전압 변동 및 노이즈를 최소화할 수 있습니다.

오늘 다룬 내용이 여러분의 PDN 설계에 대한 이해를 더욱 깊게 하고, 실제 PCB 설계에서 주파수 대역별 캐패시터 역할을 효율적으로 적용하는 데 도움이 되기를 바랍니다. PDN 최적화는 결코 쉬운 과정이 아니지만, 이 지식을 바탕으로 더욱 견고하고 신뢰성 높은 시스템을 만들어낼 수 있을 것입니다.