작고 빠른 무선 전자제품 수요 갈수록 늘어
임베디드 시스템 노이즈 감소, 설계 초기부터
감안하고 전원 배선 단축과 커패시터 활용


고성능 무선 전자제품이 가정은 물론 각종 산업에서도 널리 활용되고 있다. 과거에는 중앙의 대형 기기가 처리하던 몇몇 작업을 현재에는 소형 단말이 수행하며, 더 많은 데이터를 유선이 아닌 무선으로 저지연으로 송수신하게 됐다.

시장은 더 작은 크기, 더 좋은 성능, 더 빠른 속도, 더 적은 전력 소비량을 전자제품에 요구하고 있다. 그렇다면 전자제품을 설계하는 엔지니어가 가장 중요하게 고려해야 할 요소는 무엇일까?

바로 전원이다. 안정적인 전원이 뒷받침되어야만 설계한 제품이 제 성능을 낼 수 있다. 전원에 영향을 주는 요인은 다양하다. 특히 EMI 발생 원인은 약 5억 가지에 달한다. 이 모든 것을 한정된 시간에 통제하는 일은 무척 어려운 일이다.

오는 21일(수), ‘2020 마우저 파워 세미나’에서 ‘임베디드 시스템 전원 안정화 설계 방안’이란 제목의 특강을 진행하는 크래카의 박경진 대표에게 효과적인 전원 설계와 안정적인 전원 관리를 위해 관련 엔지니어가 어떤 마음가짐을 가져야 하는지를 물었다.


Q. 간단한 자기소개와 회사소개 부탁드립니다.
A. 안녕하세요. 레이더 개발, 판매 및 기술 컨설팅 등을 수행하는 주식회사 크래카의 대표이사 박경진입니다. 저는 현재 e4ds 평생교육원에서 하드웨어 관련 교육을 진행하고 있습니다.


Q. 최근 임베디드 시스템 설계 분야에서의 이슈로는 어떤 것들이 있습니까?
A. 임베디드 시스템의 추세는 소형화와 저전력화이며, 고주파수 및 디지털 고속 전송기술 등이 새롭게 적용되고 있습니다. 따라서 설계, 제작, 디버깅 과정에서 엔지니어가 고려해야 할 사항들이 늘어나고 있습니다. 또한, 계측장비 고가화로 기업들도 많은 부담을 안게 됐습니다.


Q. 임베디드 시스템 전원 설계 시 전체 시스템의 원활한 동작을 보장하기 위해 엔지니어가 우선하여 고려해야 하는 것은 무엇입니까?
A. 기본적으로 전체적인 전원 블록을 고민해야 합니다. 어떤 입력 전원이 들어오는지, 가령 5V, 3.3V 2.5V 등의 전원이 인가될 때 아날로그 및 디지털로 분류하고 정리한 후 대략적인 그라운드 분리 방안을 그려놔야 합니다. 그리고 배선의 길이와 커패시터의 수가 충분한지를 검토해야 합니다. 그 후 PCB 아트워크 시에 전원 부품 및 기능 IC 배치 등을 고려해야 합니다. 노이즈 유발 요소를 사전에 방비하기 위함입니다.


Q. 전원 신호상에서 노이즈가 발생하는 주요 원인은 무엇입니까? 그리고 그 노이즈가 발생하는 지점을 파악하는 방법으론 어떤 것이 있습니까?
A. 전원 상에서 노이즈 발생 주요 원인으로는 리플이 가장 먼저 떠오를 겁니다. 이 외에 스파크 형태의 전압, 전류 등을 생각해 볼 수 있습니다. 이러한 요인은 이론적으로 기생성분인 저항성 성분과 유도성 성분에 의해 발생합니다. 전원은 일단 배선의 길이가 길면 길수록 외부 노이즈가 유입될 가능성이 커집니다. 이는 오실로스코프를 통해서도 충분히 확인해 볼 수 있습니다.


Q. PCB PDN(Power Distribution Network) 설계 시 커패시터의 활용도가 커 보입니다. 적합한 커패시터를 선정하는 기준은 무엇입니까?
A. 여러 각도로 살펴봐야 할 내용입니다. PDN은 기본적으로 활용해 볼 만한 설계 방법입니다. PDN이 곧 커패시터값을 선정하는 기준입니다. 이를 참조하면 좋은 회로 설계가 될 수 있습니다. 여기서 조금 더 생각을 해봐야 하는 것은 전원 배선의 길이입니다. 길이가 그다지 길지 않다면 커패시터의 개수도 이론적인 것보다 적어도 될 수 있습니다.


Q. 노이즈가 얼마나 감소했는지 확인하려 계속 제품을 만들면 비용과 시간 측면에서 문제가 발생할 텐데, 이를 극복한 시뮬레이션 방안이 궁금합니다.
A. 시뮬레이션을 활용하면 좋겠지만 프로그램이 고가이기 때문에 현실적으론 수행이 어렵습니다. 노이즈 저감 설계 방안은 이론적인 부분들을 이해하고 실제 PCB 가이드라인을 자세히 관찰하여 활용하는 것부터 출발해야 합니다.


Q. 마지막으로 전원 설계 엔지니어들에게 해주고 싶은 조언이 있다면?
A. 전원 설계가 전원만을 위한 설계가 되면 안 된다고 강조하고 싶습니다. 전원을 인가받는 기능 시스템을 이해하고 전체 시스템을 바라보고 동작 시나리오에서 전원 상의 문제가 없을 것인지에 대하여도 고민해 보면 좋은 전원 설계가 될 것입니다. 감사합니다.