9. _PI의 문제 발생 원인과 대책_

전압이 왜 자꾸 빠지는 걸까?

PCB를 설계하다 보면 전원은 분명 인가됐는데도 IC가 제대로 동작하지 않거나, 간헐적으로 리셋되는 현상을 마주하게 됩니다. 이런 경우 단순히 전압 수치를 보는 것만으로는 문제를 찾기 어렵고, 전원 무결성(Power Integrity, PI)에 대한 근본적인 접근이 필요합니다. 신호가 아무리 정돈돼 있어도, 전원이 불안정하면 시스템 전체가 흔들립니다.

 

PI 문제를 유발하는 주요 원인

1. 기생 저항 – IR-Drop
   PCB의 전원 및 접지 경로에는 설계자가 의도하지 않은 미세한 저항, 즉 기생 저항(Parasitic Resistance)이 존재합니다. 이 저항은 특히 고속 동작이나 다수의 IC가 동시에 작동할 때 전류가 증가하면서 IR-Drop이라는 전압 강하 현상을 일으킵니다. 전압이 실제 IC 핀에서 떨어지면, 정상 동작이 어려워지게 됩니다.
2. 기생 인덕턴스 – Switching Noise
   전원 라인에는 또한 기생 인덕턴스(Parasitic Inductance)도 숨어 있습니다. 빠른 스위칭 전류가 흐를 때, 이 인덕턴스는 전압의 순간적인 변동을 유발하며, 노이즈나 전원 진동으로 이어집니다. 이러한 스파이크는 민감한 IC 동작에 직접적인 영향을 주며, 시스템 불안정의 원인이 됩니다.

 

문제 해결을 위한 설계 전략

1. 전원 및 GND 경로는 Plane으로 설계
   전원과 접지는 가능한 짧고 넓은 경로로 설계해야 합니다. 좁고 긴 선로는 저항과 인덕턴스를 증가시켜 전압 강하와 노이즈 전파를 심화시킵니다. 따라서 가능한 경우 전원은 Power Plane으로 확보하고, 접지는 연속성 있는 GND Plane으로 구성하는 것이 효과적입니다. 특히 고속 설계에서는 Ground가 끊기지 않도록 Layer 간의 연결도 고려해야 합니다.
2. 커패시터의 전략적 배치
   전원 안정화를 위해서는 벌크 커패시터와 디커플링 커패시터를 함께 사용해야 합니다.
   • 벌크 커패시터는 저주파 노이즈 제거 및 갑작스러운 전류 소모에 대응하는 역할을 하며, 보드의 주요 위치에 분산 배치합니다.
   • 디커플링 커패시터는 고주파 잡음을 제거하고 IC의 전원 안정성을 확보하는 핵심 요소입니다. 반드시 IC 핀 근처에 배치해야 효과가 극대화됩니다.
   커패시터는 일종의 전기적 버퍼이자 필터입니다. 위치, 용량, 주파수 특성을 종합적으로 고려해 배치 전략을 수립해야 합니다.

 

PI는 시스템 신뢰성의 기초

전원 품질이 확보되지 않으면, IC는 정상적으로 동작하지 않거나 예기치 않은 타이밍 오류를 일으킵니다. 특히 고속 디지털 회로에서는 수 ns 단위의 전압 요동도 동작 오류로 이어질 수 있기 때문에, PI 설계는 시스템 전체의 신뢰성을 결정짓는 요소라 할 수 있습니다.

전원 경로 설계는 단순히 배선을 그리는 것이 아니라, 전류 흐름, 주파수 응답, 디커플링 효과 등을 종합적으로 판단한 전기적 모델링 기반 설계가 필요합니다. 이를 통해 사전에 노이즈를 제어하고, 전압 안정성을 확보함으로써 전체 회로의 동작 신뢰도를 높일 수 있습니다.

 

마무리하며

Power Integrity는 단순한 전압 공급이 아닌, 정확한 시점에 안정적인 전류가 공급되도록 설계하는 기술입니다. SI가 신호의 흐름을 다룬다면, PI는 그 흐름을 가능하게 만드는 기반이 됩니다. 고속 설계에서 PI는 더 이상 선택이 아닌 필수이며, 설계 초기 단계부터 전략적으로 접근해야 하는 핵심 항목입니다.