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전력 무결성이란 무엇입니까?

전력 무결성(PI)은 전자 시스템의 전력 전달 네트워크(PDN)가 시스템 전체에 안정적인 전력을 효율적으로 공급하도록 보장하는 전기 공학 분야입니다. 인쇄 회로 기판(PCB), 집적 회로(IC)IC 패키지가 올바르게 작동하려면 시간 경과에 따른 변화가 최소화된 일정한 전압으로 전력이 공급되어야 합니다. 또한 신호 회로를 방해하지 않아야 하며 열 발생으로 인해 최소한의 에너지만 손실되어야 합니다. 설계에서 적절한 전력 무결성은 허용 가능한 신호 무결성을 제공하고, 장치가 허용 가능한 온도 범위에서 작동하도록 유지하며, 전력 소비를 최소화하는 데 필수적입니다.

엔지니어는 다양한 소프트웨어 도구와 물리적 테스트를 사용하여 전자 시스템의 전력 공급망(전력 분배망이라고도 함)을 평가, 수정 및 개선합니다.

전력 무결성은 신호 무결성과 밀접한 관련이 있으며, 엔지니어는 일반적으로 두 가지를 동시에 분석합니다. 전자 시스템이 소형화되고, 복잡해지고, 전력 소모가 증가하고, 주파수 사용량이 증가함에 따라 전력 무결성의 중요성과 과제가 더욱 커졌습니다.

전력 무결성이 중요한 이유는 무엇입니까?

언뜻 보기에는 안정적인 전력 공급이 전자 회로 설계의 다른 복잡한 영역에 비해 비교적 간단해 보일 수 있습니다. 장치를 전원에 연결하고, 적절한 전압을 설정한 다음, 신호 회로에 전력을 공급하는 전력 레일을 설치합니다. 하지만 실제로는 훨씬 더 복잡합니다. 전자의 움직임은 다른 회로를 방해하거나 저항으로 인한 전력 손실을 유발할 수 있는 자기장을 생성합니다.

이러한 이유로 엔지니어는 설계 과정에서 가능한 한 조기에 전력 무결성을 분석하여 잠재적인 문제를 파악합니다. 현대 전자 장치는 여러 부품, 계층, 그리고 인터커넥트로 구성되어 있어 복잡성이 높아 최소한의 변동으로 적절한 전압 범위를 제공하는 것이 어렵습니다.

최신 전자 제품은 복잡하며, 여러 계층으로 이루어진 다중 구성 요소 어셈블리, 이러한 계층을 연결하는 비아, 구성 요소 간의 복잡한 인터커넥트로 구성되어 있습니다. 이러한 형상은 광범위한 주파수에서 DC 전력과 신호를 모두 전송합니다.

전력 무결성의 중요성을 이해하는 좋은 방법은 세 가지 주요 유형의 전력 무결성 문제를 살펴보는 것입니다.

전압 변동

전자 시스템은 외부 AC 또는 DC 소스로부터 전력을 공급받습니다. 그런 다음 구성 요소는 입력 전압을 원하는 시스템 DC 전압으로 변환합니다. 그러나 이러한 전력 변환은 PDN의 인덕턴스에 반응하는 과도 전압 변화를 유발할 수 있으며, 이는 노이즈 또는 전압 리플이라고 하는 전압 스파이크와 변동을 유발합니다.

전압 변동의 또 다른 원인은 전류 요구량의 급격한 변화입니다. 트랜지스터가 정전류에서 더 높은 전압으로, 일반적으로 클록 신호에 따라 스위칭하는 것이 동적 전류의 가장 흔한 원인입니다. 장치 PDN의 전압 조정기 모듈(VRM)은 전류 변화에 즉시 반응하지 못하여 전압이 급등하거나 강하하는 현상(전압 리플이라고 함)을 일으킬 수 있습니다. 마이크로프로세서가 유휴 상태에서 고부하 연산 상태로 전환되었다가 다시 유휴 상태로 전환되어 심각한 전력 변동을 유발하는 것이 좋은 예입니다. 이러한 지터는 PDN의 전원 공급 및 복귀 경로 모두에 영향을 미칠 수 있습니다.

전자기 간섭(EMI)

전원 또는 접지 전압의 변화는 주변 회로에 원치 않는 전류를 유도하는 전자파를 생성할 수 있습니다. 마찬가지로, 고주파 디지털 또는 AC 회로에서 생성되는 신호는 전원 회로에 원치 않는 전류를 유도할 수 있습니다. 이 크로스토크 또는 전자기 결합은 신호 무결성에 직접적인 영향을 미칩니다. 엔지니어가 설계 단계 초기에 이러한 크로스토크를 발견하고 제거하지 않으면 나중에 필요한 전자기 호환성(EMC) 테스트에서 발생할 수 있습니다. 이 단계에서 발견되지 않으면 작동 중에 신호 무결성 문제가 발생합니다.

전력 손실

전원 회로의 전도성이 부족하면 PDN에서 전압 강하가 발생할 수 있습니다. 전류가 저항에 부딪히면 열이 발생하여 전력이 손실됩니다. 이러한 이유로 PCB 및 IC 패키지 설계는 전원 평면, 전원 비아 및 복귀 경로 구성의 임피던스와 저항을 낮게 유지해야 합니다.

이러한 전력 무결성 문제를 비롯한 여러 전력 무결성 문제를 극복하는 것은 현대 사회를 작동시키는 고성능 전자 시스템을 제공하는 오늘날의 고속 설계를 정의하는 데 필수적입니다. 적절한 전력 무결성이 없으면 제품이 과열되거나 신호 무결성 문제가 발생하여 성능 저하 또는 부품 고장으로 이어질 수 있습니다. 

전력 무결성의 주요 요인

전자 시스템의 PDN은 PCB 레이아웃 또는 IC 패키지의 전도 경로와 부품 구성으로 구성됩니다. PDN은 전원으로부터 전류를 공급하고 동시에 저임피던스 리턴 경로를 통해 전류를 반환할 수 있어야 합니다. 전력 무결성을 이해하려는 엔지니어는 PDN 성능에서 다음과 같은 핵심 요소를 고려해야 합니다.

전력 레일

특정 전압을 회로 구성 요소에 분배하는 전도성 경로를 전력 레일이라 합니다. PCB 설계에서 이는 전원을 보드의 여러 층에 분배한 후 접지로 다시 연결하는 전도성 경로를 의미합니다. "레일"이라는 용어는 초기 아날로그 전기 설계에서 유래되었으며, 당시 전원은 실제 전도성 금속 레일이었습니다.

전원 평면

연성 PCB를 포함하는 PCB는 전도성 또는 절연성 재료가 교대로 배열된 층으로 구성됩니다. 비아라고 하는 수직의 중공 전도성 기둥은 스택업에서 여러 전도성 층을 연결합니다. 신호 처리 층에 전원을 공급하는 층을 전원 평면이라고 합니다. 층의 두께는 고정되어 있으므로 전원 평면에서 전도성 재료의 전류 전달 용량은 전도성 트레이스의 폭에 따라 결정됩니다. 전도성 트레이스의 폭이 충분하지 않으면 국부적인 저항으로 인해 줄 열이 발생하여 전력 손실이 발생할 수 있습니다.

복귀 경로 및 접지 평면

전력 회로를 완성하려면 전류가 신호 회로에서 전원으로 복귀해야 합니다. 복귀 경로는 전류가 부하에서 접지로 되돌아갈 수 있도록 하는 PDN의 일부입니다. PCB에서 복귀 경로를 구성하는 층을 접지 평면이라고 합니다.

Interconnect

인터커넥트는 전자 시스템의 여러 부분을 연결하는 부품입니다. PCB, 볼 그리드 어레이, 핀 등의 형태를 취할 수 있습니다. 인터커넥트는 부품 간에 신호와 전력을 전달하기 때문에 전력 무결성 문제가 발생하기 쉽습니다.

접지 바운스

접지 바운스는 접지 전압이 예상 상수 값에서 일시적으로 "바운스"되는 현상입니다. 신호 회로의 급격한 전압 변화로 인한 전류 변동으로 발생하는 EMI는 접지 평면에 원치 않는 전류를 유도하여 접지 바운스를 유발합니다. PCB 트레이스와 비아의 기생 커패시턴스는 스위칭 중 전하를 저장하고 방출할 때 접지 바운스에 영향을 줄 수 있습니다.

지터

지터는 PDN의 노이즈, 신호 및 전원 회로의 EMI, 타이밍 문제 및 구성 요소 변동성으로 인해 발생하는 디지털 신호의 변동과 스파이크를 말합니다. 지터는 신호 무결성 문제의 주요 원인이므로 이를 줄이는 것은 보드 설계의 중요한 부분입니다. 전력 무결성을 위해 엔지니어는 전력 및 접지 전압의 변동성을 줄이고 전력 회로와 신호 회로 간의 유도 결합을 줄임으로써 지터를 최소화합니다.

기생 손실

이는 회로의 기능이나 출력에 영향을 미치지 않는 에너지 전달로 인한 전기 회로의 전력 손실을 의미합니다. 전력 무결성 측면에서 이는 용량, 유도, 저항 효과로 인한 전력 손실을 포함합니다. 기생 손실은 회로 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 성능과 물리적 견고성에 영향을 미치는 원치 않는 열을 발생시킬 수도 있습니다. 전력 무결성 외에도 기생 손실은 신호 무결성에도 영향을 미칩니다.

줄(Joule) 가열

전류가 재료의 저항에 부딪히면 일부 전기 에너지가 열 에너지로 변환됩니다. 이 과정을 줄 가열이라고 하며, 물리학자 제임스 프레스콧 줄(James Prescott Joule)의 이름을 따서 명명되었습니다. 생성되는 열 에너지의 양은 재료의 저항과 전류의 수학적 제곱에 정비례합니다.

PDN 임피던스

PDN 임피던스는 저항, 인덕턴스, 커패시턴스로 인해 PDN에서 전류 흐름에 대한 저항입니다. 전력 무결성 설계의 궁극적인 목표는 PDN 임피던스를 시스템의 목표 임피던스보다 낮게 유지하는 것입니다. 목표 임피던스는 주파수에 따라 달라지며, DC에서 1mΩ 미만부터 10GHz에서 100mΩ 미만까지 크게 달라집니다. PCB 레이아웃은 PDN 임피던스, 전류 경로의 인덕턴스, 전원 평면과 신호 층의 트레이스 간의 커패시턴스에 영향을 미칩니다. 디커플링 커패시터 또한 임피던스에 영향을 미칠 수 있습니다. PDN 임피던스는 주파수 범위에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

디커플링 커패시터

디커플링 커패시터는 전압 조정기 모듈(VRM)이 충분히 빠르게 응답하지 못할 때 전류를 공급하는 개별 부품입니다. PDN 임피던스는 주파수 범위에 따라 다르므로 설계자는 주파수 범위 전체에서 낮은 임피던스를 유지하기 위해 PDN에 여러 개의 디커플링 커패시터를 배치합니다. 

전력 무결성은 어떻게 측정하고 분석합니까?

엔지니어는 배전망을 설계한 후 전력 및 접지 측 모두에서 시간 경과에 따른 전압과 온도를 측정하고 분석해야 합니다. 이는 디지털 전압계나 오실로스코프와 같은 물리적 분석 도구를 사용하여 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 가상으로 수행할 수 있습니다. 어떤 접근 방식을 사용하든 목표는 전력 무결성 문제의 원인인 지터, EMI, 줄 가열을 파악하는 것입니다. 

Thermal camera heat moves into heatsink
Icepak AEDT simulation

열화상 카메라(왼쪽)로 촬영한 전력 무결성 문제로 인한 열과 Ansys Icepak 소프트웨어(오른쪽)로 시뮬레이션한 열을 나란히 비교한 그림

열 문제의 경우, 엔지니어는 열화상 카메라로 촬영한 시스템의 열 지도와 시뮬레이션된 온도 윤곽을 검토합니다. 지터, EMI 및 이로 인한 신호 무결성 영향은 전원 및 접지 회로의 지점에서 시간 경과에 따른 전압과 신호 회로의 아이 다이어그램으로 측정 및 분석됩니다.

시뮬레이션을 이용한 전력 무결성 측정 및 분석

PCB 또는 IC 패키지 설계가 완료되면 엔지니어링 팀은 디지털 모델을 사용하여 전력 무결성 평가를 시작해야 합니다. 전력 무결성은 형상에 크게 의존하기 때문에 PDN의 전열 설계 시뮬레이션이 좋은 시작점입니다. 먼저, 팀 구성원은 시스템의 전력 수요가 가장 높은 작동 사례를 시뮬레이션하고 전원 및 접지 평면의 전압 강하를 계산해야 합니다.

열 전달을 모델링하려면 다양한 변수를 포함하는 다중 물리 시뮬레이션이 필요할 수 있습니다. 엔지니어는 열 시뮬레이션에서 최악의 작동 조건을 나타내는 현실적인 환경 조건을 사용해야 합니다. 시뮬레이션 결과를 기반으로 엔지니어는 전원 및 접지 회로 형상을 변경하고, 열 비아를 추가하거나 이동하고, 전자 열 관리 모범 사례를 적용하여 열을 분산하고 제어할 수 있습니다.

Ansys SIwave 소프트웨어와 함께 사용할 경우 Ansys Icepak 소프트웨어는 이러한 유형의 분석에 효과적인 도구입니다. ECAD 소프트웨어에서 직접 형상을 읽고 전류 흐름과 전력 소산을 시뮬레이션할 수 있습니다. 그 후, 열유속 데이터를 Icepak 소프트웨어로 전달하여 전자기 모델의 온도를 계산하고 업데이트할 수 있습니다. 

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칩 패키지와 PCB가 있는 전자 어셈블리에서 발생하는 전력 손실을 보여주는 Ansys SIwave 소프트웨어 이미지. 엔지니어는 이 정보를 활용하여 형상을 수정하여 손실을 줄이고 전력 무결성을 보장합니다.

전력 손실 설계를 선택한 후 다음 단계는 PDN 노이즈 분석과 결합된 전자기 간섭 시뮬레이션입니다. 엔지니어는 여러 작동 조건에서 EMI를 계산함으로써 신호 및 전력 무결성을 동시에 측정할 수 있습니다. SIwave 소프트웨어와 같은 포괄적인 도구를 사용하면 용량 및 유도 결합을 시뮬레이션할 때 동일한 전력 손실 모델을 사용할 수 있습니다.

먼저 엔지니어는 PDN 임피던스를 측정하고 목표 임피던스를 충족할 때까지 설계를 미세 조정해야 합니다. 이러한 반복 작업에는 회로 트레이스 간 간격 조정, 전원 또는 접지 평면 형상 수정, 비아 이동 또는 추가, 커패시터를 도입하여 크로스토크를 줄이는 작업이 포함될 수 있습니다.

대부분의 전자 시스템에는 PCB와 집적 회로가 모두 포함됩니다. 그렇기 때문에 엔지니어는 아날로그 및 혼합 신호 IC용 Ansys Totem 플랫폼 또는 디지털 및 3D IC용 Ansys RedHawk-SC 플랫폼과 같이 칩 수준에서 전력 무결성을 계산하기 위한 강력한 도구 세트가 필요합니다.

가상 측정 및 분석에서 가장 중요한 부분은 시뮬레이션이 모든 실제 작동 조건과 사용 시나리오를 고려하여 잠재적인 모든 전력 무결성 문제를 파악하고 해결하는 것입니다.

물리적 전력 무결성 측정 및 분석

광범위한 시뮬레이션과 전력 무결성 검증 후에도 대부분의 설계 프로세스에는 여전히 물리적 테스트가 필요합니다. 테스트 벤치에서 필요한 측정 및 분석은 시뮬레이션에서 사용되는 것과 유사합니다. 엔지니어 또는 기술자는 PCB의 중요 위치에 프로브를 배치하여 시간 경과에 따른 전압을 측정합니다. 오실로스코프는 이 데이터를 사용하여 입력 및 출력 신호를 비교하는 아이 다이어그램을 생성할 수 있습니다.

또한, 열화상 카메라 또는 열전대를 사용하여 시간 경과에 따른 온도 변화를 모니터링하는 것은 물리적 테스트의 필수적인 부분입니다. 디지털 환경에서와 마찬가지로, 장치는 안정적인 성능을 보장하기 위해 다양한 환경 조건과 사용 시나리오에 노출되어야 합니다.

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