POWER INTEGRITY

POWER INTEGRITY

 

시스템의 안정적인 동작을 위해서 Power Integrity 분석은 필수
적인 설계 과정이 되었습니다. Power Integrity 분석을 통한 설계
는 PCB의 노이즈와 EMI 그리고 오동작 확률을 줄이는 방법이 됩
니다. 오른쪽과 같이 IC에 전력을 공급하는 파워 버스에 대한 등가
회로에서 이상적으로는 소자의 Vdd 핀과 Vs 사이의 전달 임피던
스는 0이어야 하며 DC에서는 대략 0에 가까운 값이 됩니다.
그러나 주파수가 증가하면 이들 사이의 임피던스는 증가하게 되는
데, 만약 이들 사이의 임피던스의 피크 값이 생기게 되면 두 노드사
이의 전압 차이를 발생하게 됩니다. 즉 파워버스에서 전압이 떨어
지게 되는 것을 의미하며, 전달 임피던스에 비례하여 높은 전압 노이즈를 발생하게 됩니다. 전달 임피던스는 그러므로 Power Integrity 분석에서 하나의 분석 파라미터로 간주되어질 수 있으며 보통 Target Impedance 라고 하는 설계 목표 파라미터로 사용되어 집니다.

안정적인 파워 공급을 위해 전달 임피던스를 Target Impedance 이하로 설계하기 위해 가장 효과적인 방법은 파워 버스의 인덕턴스를 최소화 하는 것인데 이러한 목적으로 파워 레일을 넓게 면을 사용하도록 하고, 두번째 방법으로 파워 버스에 용량성 로딩을 사용하는데, 디커플링 캐패시터가 이런 목적으로 사용됩니다. 클럭 주파수에 의해 발생하는 노이즈는 광대역의 스펙트럼 분포를 가지며 수 KHz 에서 수 GHz 까지 분포하게 되므로 이런 광대역 노이즈를 줄이기 위해 다양한 값의 캐패시터가 요구되어 집니다. 그러나 캐패시터는 자체의 패캐징이 가지는 기생 인덕턴스 값에 의해 수백MHz 이상에서는 효과가 없게 되며, 수백MHz이상의 주파수에 대해서는 파워면이 가지는 용량성분과 패키지 또는 on-die 의 용량성분이 디커플링 역할을 하게 됩니다.
Power Integrity 분석에서 노이즈 해석은 두 가지로 수행되는데, 첫째는 전달 임피던스를 주파수 스윕 해석에 의해 주파수에 대한 결과값으로 추출 하고 나서 데이터 쉬트에서 주어지는 스펙으로부터 계산된 목표 임피던스(target impedance)와 비교합니다.

목표 임피던스 계산은 경우에 따라 최대 전류 즉 동시에 전류 싱크가 같은 방향으로 스위치 온 되었을 때의 조건에 의해 계산됩니다. 또한 파워 그라운드에 직접적으로 동작되는 VRM의 스위칭 주파수가 중요한데 이는 수백 KHz 영역이므로 벌크 디커플링 캐패시터에 의해 효과적으로 억제가 가능한 주파수이며, 그외의 클럭과 데이터 버스 신호에 의한 스위칭은 IC의 파워핀에 전달되는 노 이즈에 간접적으로 영향을 미치게 됩니다.

노이즈 해석의 두번째 단계는 공진 모드 해석입니다. 모든 파워와 그라운드 면은 크기와 모양 그리고 유전율에
의해 고유의 공진 모드를 가지게 되는데, 공진 모드에 해당되는 주파수는 신호의 크기가 크지 않더라도 공진에
의해 외부로 복사되어 EMI의 문제를 일으킬 수 있습니다. 파워 레일에 의해 공급되는 클럭 신호는 고차의 하모
직 성분이 파워면의 공진 주파수와 겹치게 되지 않도록 주의하여야 하며, 공진 모드 해석의 목적은 클럭 주파수
와 고차 하모닉 주파수가 모드 주파수와 겹치게 되는지를 점검하기 위함입니다. 공진 모드 플롯에서 빨간색과
파란색으로 표시되는 부분은 노이즈 크기가 피크가 되는 영역을 의미하며 이 부위에 놓이는 IC는 주의를 요하는 주파수에서 영향을 받게 므로, 공진 모드 분포의 노이즈 영역은 Power Plain 모양 및 IC 배치 또는 EMC trouble shooting 에 대한 Debugging 정보를 제공합니다. PDN 분석을 통해 디커플링 캐패시터의 배치 및 종류와 숫자를 최적화 할 수 있습니다. 또한 Core PDN을 위한 Power Plain 모양 최적화 등도 같이 수행하게 됩니다.

PDN(Power Delivery Network) 최적화 :
Power/Ground Impedance / 공진
Decap. Sensitivity / Loop Inductance
Decap. Optimization - Type/Number/Value/Cost
Core PDN 최적화 :
PCB DC IR Drop 해석
PCB 전류/전압 Power loss 분포 해석
일정한 전류 분포를 위한 Power plane 모양 최적화
System Level Power Integrity :
Pwr/Gnd/Sig SNI - SSN/SSO분석

시스템 특성 및 어플리케이션에 따라 최적의 PDN 구성은 달라
져야 합니다. 고 안정도를 요구하는 시스템의 경우 매우 엄격한
노이즈 규격을 만족하도록 설계되어야 하고, 일반 제품의 경우
시스템 가격을 낮출 수 있는 효율적인 설계가 되어야 합니다.
시스템의 특성에 맞는 어뎁티브 목표 임피던스를 설정하기 위
해서는 시스템의 회로적인 전체 동작을 수행하여 노이즈 레벨
(SSN/SSO) 의 분석과 영향을 미리 검증하고 설계에 응용할 수 있도록 하여야 합니다. 이를 위해 IC/Package/PCB 에 대한 시스템적인 분석을 수행하게 됩니다.