PDN Analyzer (by CST)

PDN Analyzer powered by CST^®(Computer Simulation Technology)는 Altium Designer와 직접 통합되어 현재 PCB 프로젝트에 대한 PI-DC 시뮬레이션 및 분석을 수행할 수 있습니다. PDN Analyzer는 Altium Designer 내부에서 동작하므로 수동 데이터 가져오기/내보내기, 데이터 변환, 별도 애플리케이션 실행이 필요 없습니다. 회로도 또는 PCB 편집기에서 PDN Analyzer를 실행하고 원하는 테스트 파라미터를 설정한 뒤 시뮬레이션을 실행하기만 하면 됩니다. 결과는 주로 회로 기판의 구리 레이아웃을 2D/3D로 모델링해 제공되며, 이를 통해 결과를 빠르게 평가하고 PCB 레이아웃 설계에 대해 탐색적인 ‘가정(what if)’ 테스트를 수행할 수 있습니다.

Altium Designer Spirit Level 예제 PCB와 함께 표시된 PDN Analyzer 인터페이스, 그리고 VCCINT 전원에 대한 Top 레이어 GND 넷 리턴의 PI-DC 전압 강하 시뮬레이션 결과.

PDN Analyzer 기능에 액세스하기

Altium Designer에서 PDN Analyzer 기능에 액세스하려면 PDN Analyzer software extension 을 설치해야 합니다. 이 확장 기능은 수동으로 설치하거나 제거할 수 있습니다.

확장 기능 관리에 대한 자세한 내용은 Extending Your Installation 페이지(Altium Designer Develop, Altium Designer Agile, Altium Designer)를 참조하세요.

또한 기능에 액세스하려면 PDN Analyzer에 유효하게 구독되어 있어야 합니다.

Power Integrity 핵심

본질적으로 PI-DC(또는 ‘IR drop’) 문제는 비교적 단순합니다. 보드의 전원 공급 형상(트레이스, 폴리곤, 플레인 등)에 내재된 저항이 전력과 전압을 소모하여, 다양한 부하로 전달되어야 할 전력/전압을 빼앗습니다. 예상할 수 있듯이, 전원과 그라운드 구리 경로에서의 상호작용 때문에 동일 전원에 연결된 부하 수가 늘어날수록 IR 문제는 더 복잡해집니다.

그림 1: 전원 및 그라운드 형상과 인가된 부하의 기본 블록 다이어그램.

그림 1(위)은 회로의 전원 소스와, 다양한 부하(메모리, 마이크로컨트롤러 등)에 전력을 전달하는 전원/그라운드 형상(트레이스와 플레인)의 간단한 블록 다이어그램을 보여줍니다.  모든 부하가 동일한 전원 및 그라운드 형상에 연결되어 있으며, 동작 전압을 제공받기 위해 해당 형상에 의존한다는 점에 유의하세요.  일반적으로 우리는 전원 및 그라운드 형상이 0Ω 저항을 가진다고 가정하는 경향이 있지만, 이는 반드시 사실이 아니며 그 가정이 문제를 일으킬 수 있습니다.  비교적 큰 전류가 흐르는 경우가 많기 때문에, 전원/그라운드 형상에 존재하는 작은 저항도 상당한 전력 소모(손실)와 전압 강하를 유발할 수 있습니다.

그림 2: ‘IR Drop’ 효과

그림 2는 전원 및 그라운드 형상의 저항을 적절히 고려하지 않았을 때 발생할 수 있는 문제의 예를 보여줍니다.  각 형상의 저항이 0.25Ω로 비교적 작더라도, 부하에서의 전압이 5V에서 4.5V로 떨어지게 만들었습니다.  설계자는 이 전압 강하를 인지하고 허용 가능한지 확인하거나, 현장에서 최종 설계가 실패하지 않도록 전압 강하를 줄이기 위해 설계를 변경해야 합니다.

하지만 이 문제는 해결이 쉬워 보입니다. 다음 관계식을 이용해 전원 및 그라운드 형상을 충분히 짧게 하거나 충분히 크게 만들어 저항이 무시할 수준이 되도록 하면 됩니다: R = ρ * L/A, 여기서:

• R는 형상(트레이스 또는 플레인)의 총 저항
• ρ는 형상에 사용된 재료의 비저항(일반적으로 구리, ρ ≈ 1.7µΩ-cm)
• L는 형상의 길이
• A는 형상의 단면적(폭 x 두께)

간단히 말해, 전원 및 그라운드 형상을 짧고, 두껍고, 넓게 만들수록 저항을 최소화할 수 있습니다.

하지만 지나치게 큰 형상은 소중한 라우팅 공간을 차지하고 다른 전압 형상을 위한 공간을 제한할 수 있습니다.  전원 및 그라운드 형상을 적절한 크기로 설계한 보드는, 과도하게 큰 플레인이나 트레이스를 임의로 사용하는 보드보다 더 컴팩트하며 더 적은 레이어로 구현할 수 있습니다.  PI-DC 분석의 목적은 보드 설계의 전원 및 그라운드 형상이 충분하지만 과도하게 크지는 않다는 점을 설계자에게 알려주는 것입니다.

IR drop에서 또 하나 고려할 점은 소모 전력이 I2R라는 사실입니다. 즉, 저항을 통과하는 전류가 조금만 증가해도 전력 소모는 크게 증가합니다.  이는 전원 및/또는 그라운드 형상이 흐르는 전류를 수용할 만큼 충분히 크지 않을 때 설계가 크게 가열되는 열 문제로 나타날 수 있습니다.  전원 및 그라운드 형상에서 IR drop이 매우 작도록 보장하면, 해당 형상에서의 전력 소모가 최소화됩니다.

극단적인 경우, 형상이 충분히 저항성(매우 좁고 길음)을 띠고 그 안에 충분한 전류가 흐르면, 그 형상은 사실상 ‘퓨즈’처럼 동작하여 구리 형상이 녹아 설계가 실패할 수 있으며, 잠재적으로 위험한 상황을 초래할 수도 있습니다.  PCB 전류 허용 용량에 대한 IPC-2152 표준이 이 문제를 다루지만, (예를 들어 열을 빼앗아 줄 주변의 열전도성 구리가 없다는 등) 비관적인 가정을 포함하고 있으며, 설계자들은 종종 최소 온도 상승만 허용하는 등 가장 보수적인 가정으로 해당 규격을 적용합니다.  PI-DC는 열 고려사항에 대한 가이드라인으로서 IPC-2152 표준을 대체할 수는 없지만, 전력 전달 시스템의 전압 강하와 전류 밀도를 연구함으로써 설계를 안전하게 최적화할 수 있는 유용한 인사이트를 제공합니다.  소스와 모든 부하 사이에서 전류 밀도와 전압 강하가 가장 낮도록 최적화된 설계는 열 발생이 더 적고 열 문제 가능성도 낮습니다.

PI-DC 분석이 다루는 또 다른 측면은 전력 전달에 사용되는 비아의 개수입니다.  문제는 구리 형상의 크기 산정과 매우 유사합니다. 비아가 충분하지 않으면 IR drop으로 인해 전압이 손실되고 전력이 낭비되지만, 비아를 너무 많이 사용하면 소중한 라우팅 공간이 낭비됩니다.  특히 특정 전압 경로에 비아를 과도하게 사용하면, 그 비아가 다른 레이어의 형상을 관통하면서 해당 레이어의 구리 단면적을 줄여 다른 전압에 문제를 일으킬 수 있습니다.  형상의 치수를 올바르게 정하는 것과 마찬가지로, 부하 지점에서의 전압을 분석하면 적절한 비아 크기 및/또는 개수를 결정할 수 있습니다.

마지막으로, 최적화를 보장하기 위해 최종 설계를 물리적으로 보이는 그대로 정확히 시뮬레이션하는 데에는 큰 이점이 있습니다.  예를 들어 설계 과정에서 부하가 제거되거나 추가된 경우를 대비해, PI-DC 시뮬레이션은 커넥터와 레귤레이터의 용량이 적절한지 최종 점검을 제공합니다.

PCB의 다양한 전원 형상, 그라운드 형상, 비아를 통한 전압 강하에 대한 신뢰할 수 있는 데이터가 없으면, 설계자는 과도한 플레인 형상, 트레이스 크기, 비아를 사용하는 보수적인 설계를 할 수밖에 없고, 이는 소중한 설계 공간을 소모하며 레이어 수와 폼팩터를 증가시킵니다.  Altium PDN Analyzer는 설계의 DC 전력 분배 적합성에 대한 정확한 정보를 사용하기 쉽고 직관적인 방식으로 제공하여, 설계자가 가능한 한 가장 효율적인 전력 분배 설계를 할 수 있도록 돕습니다.

결과는 최종 설계 검증에 적합할 뿐 아니라, 설계 초기 계획 단계에서 전력 전달 구조를 미리 최대한 효율적으로 아키텍처링하는 데에도 활용할 수 있습니다.  PI-DC는 가능한 한 가장 효율적이고 견고한 전력 전달 네트워크를 달성하는 데 매우 중요한 도구이며, PDN Analyzer는 그 시뮬레이션 및 분석 과정을 간단하고 직관적이며 효율적으로 수행할 수 있게 해줍니다.

PDN Analyzer가 PCB 설계에 제공하는 이러한 장점들 외에도, 다음과 같은 이점을 제공합니다:

• 제품 신뢰성: 정지 전압 레벨, 전압 안정성, 트레이스 발열/손상 측면에서 설계 내 개별 전원 레일이 올바르게 동작하도록 보장하는 데 도움을 줍니다.
• PCB 레이아웃 개선: 보드 공간을 가장 효과적으로 활용하는 데 적용할 수 있는 정보를 제공하며, 문제가 되는 고전류 밀도 영역을 쉽게 식별하고 수정할 수 있게 해줍니다.
• 지식: DC 전류 경로 레이아웃을 고려할 때 더 이상 경험칙이나 근사 계산에 의존하지 않아도 됩니다.

PDN Analyzer 시뮬레이션

가장 기본적인 형태에서 PI-DC 분석 대상이 되는 보드 레이아웃은 전압 레귤레이터 소스와 그 부하, 그리고 다양한 형상과 트랙 폭을 가진 상호 연결 구리 영역으로 구성될 수 있습니다.

전원 소스와 부하의 기본 회로 예.

레이어와 비아로 연결된 다양한 구리 형상과 트레이스를 포함한 기본 회로의 PCB 레이아웃.

PDN Analyzer 패널 인터페이스(Tools » PDN Analyzer)는 위 회로 및 개념적 블록 다이어그램(그림 1)에서 보인 것처럼, 실제 전원 및 그라운드 경로를 포함하는 ‘전원 소스→부하’ 회로 넷을 시각적으로 에뮬레이션합니다. 애플리케이션은 현재 활성 PCB 설계에서 모든 물리적/전기적 정보(넷리스트, 디바이스, 레이어 형상 등)를 자동으로 추출하며, 이는 PI-DC 시뮬레이션 엔진을 위한 데이터를 제공합니다.

기본 회로 및 보드 레이아웃에 대한 PI 시뮬레이션 설정을 보여주는 PDN Analyzer  패널 인터페이스.

여기서 전압 소스는 U1의 출력(핀 3과 2 사이 5V)이고, 부하는 RL을 통해 지정된 전류(0.1A)입니다. 인터페이스를 통해 초기 파라미터(소스/부하 전압 및 전류 등)를 입력하고 시뮬레이션을 실행하면, 결과 분석 데이터가 PCB 편집기에서 렌더링된 2D 또는 3D 이미지로 그래픽 모델링되어 표시됩니다.

보드의 PWR 및 GND 넷 구리(U1→RL, RL→U1)에 대한 전압 강하 시뮬레이션 결과.

PDN Analyzer PI 시뮬레이션은 적용 가능한 모든 보드 레이어에 대해 전압(IR Drop, 위 이미지) 또는 전류 밀도(아래 이미지) 결과를 표시하도록 설정할 수 있습니다.

PWR 및 GND 넷(U1에서 RL까지) 모두에 대한 전류 밀도 맵.

► PDN Analyzer 사용 방법과 결과 해석에 대한 전체 설명은 PDN Analyzer example guide를 참조하세요.