전압 강하 란 무엇인가요?

전압 강하 의 다른 원인으로는 교류(AC) 회로에서의 유도 리액턴스와 용량성 리액턴스, 그리고 다이오드나 트랜지스터를 켜거나 끄는 데 필요한 전기 에너지로 인해 발생하는 반도체의 스위칭 손실이 있습니다.

전력망에서 마이크로칩에 이르기까지 모든 분야에서 엔지니어들은 전압 강하( 전압 강하 )를 연구하고 이를 줄이려고 노력합니다. 전압이 조금이라도 떨어지면 회로 효율이 저하되기 때문입니다. 또한 과도한 전압 강하( 전압 강하 )는 부품이나 회로 자체의 오작동을 유발할 수 있습니다. 이는 디지털 및 아날로그 집적회로(IC) 모두에서 특히 중요한 문제인데, 전압 강하( 전압 강하 )로 인해 다음과 같은 문제가 발생할 수 있기 때문입니다:

• 전압 레벨이 낮아 이진수 1을 0으로 인식하는 기능적 오류
• 과도한 발열로 인해 냉각을 위한 추가 전력비, 운영비 및 자본비가 소요됨
• 부품의 작동 정지를 초래하고 결국 기계적 고장으로 이어지는 과열
• 연산이나 신호 처리 대신 열 발생의 형태로 소비되는 전기 에너지

전자가 물질을 통과할 때, 원자, 다른 전자, 물질의 불순물 및 결함과 끊임없이 충돌합니다. 이때 전자는 열의 형태로 소량의 에너지를 잃게 됩니다. 이러한 전기 에너지의 손실로 인해 회로의 전위가 떨어집니다. 대부분의 물질에서 저항은 온도가 상승함에 따라 증가하며, 이는 전압 강하( 전압 강하)를 더욱 가중시킵니다.

이 글은 인쇄회로기판(PCB), 칩 패키지 및 집적회로(IC)용 전자 회로에서 발생하는 과전류( 전압 강하 )에 초점을 맞추고 있지만, 이는 건물 및 기계의 전력 시스템에서도 중요한 문제입니다. 전기 기술자들은 ‘미국 국가전기규정(National Electrical Code) ’ 및 기타 산업 표준의 지침을 준수하여 잠재적인 위험 요소를 파악하고 제거하며, 화재로 이어질 수 있는 과열을 방지합니다. 이들은 저항과 인덕턴스를 적절히 관리하기 위해 전선 단면적, 버스바의 형상, 케이블 배선 길이, 커패시터 배치 위치 등의 요소를 면밀히 검토합니다.

전기 도체의 재료 저항으로 인한 이 손실은 전압 강하(IR drop)의 원인 중 하나일 뿐입니다. 또 다른 원인은 전기 시스템 내의 소자들에 걸리는 전압 강하( 전압 강하 )입니다. 전압 강하( 전압 강하 )를 일으키는 가장 대표적인 소자는 저항기입니다. 하지만 회로의 거의 모든 노드에서는 어느 정도의 전압 강하( 전압 강하)가 발생합니다.

다음은 직류(DC) 및 교류(AC) 전력 시스템에서 발견되는 다양한 유형의 정류기( 전압 강하 )를 보여주는 표입니다:

IR 전압 강하에 대한 물의 흐름 비유

직류 회로에서 발생하는 전압 강하를 잘 설명해 주는 비유는 파이프, 탱크, 밸브, 연결부, 펌프, 터빈으로 구성된 시스템을 통해 물이 흐르는 모습입니다:

• 수압 ~ 전위(전압)
• 유량 (리터/초) ~ 전류
• 유체 흐름의 저항과 배관 마찰 ~ 전기 저항
• 압력 강하 ~ 전압 강하

구리선과 마찬가지로, 파이프가 길거나 직경이 작을수록 유동 저항이 커져, 파이프를 통과하는 동안 압력이 떨어지게 됩니다. 또한 밸브, 커플링, 터빈과 같은 부품들은 모두 유동으로부터 에너지를 빼앗아 가기 때문에, 전기 부품과 마찬가지로 압력을 감소시킵니다. 전기 회로와 부품을 설계하는 엔지니어들은 유압 엔지니어들과 마찬가지로, 설계 비용과 크기를 성능 요구 사항과 균형 있게 조화시켜야 하는 과제에 직면해 있습니다.

엔지니어들은 전력 손실( 전압 강하 )을 계산할 때 그 원인에 따라 다양한 방법을 사용합니다. 복잡한 전자 시스템의 경우, 엔지니어들은 회로 시뮬레이터나 전력 모델링 도구를 사용하여 모든 도체와 소자에서 발생하는 손실을 파악합니다.

간단한 직류 회로의 경우, 옴의 법칙은 전류-전압 관계( 전압 강하)를 다음과 같이 정의합니다:

여기서

Vd = 전압 강하 (볼트)

I = 암페어(A) 단위의 전류

Z = 옴 단위의 임피던스

임피던스는 다음과 같이 정의됩니다:

$$Z = \sqrt{R^2 + (X_L - X_C)^2}$$

여기서

R = 저항 — 옴 저항

XL = 유도 리액턴스 — 인덕터에 의한 저항

XC = 용량성 리액턴스 — 커패시터에 의한 저항

전압 강하 는 다양한 원천에서 발생하지만, 패키지와 IC의 IR drop을 관리하는 것은 현대 전기 공학에서 가장 중요한 분야 중 하나입니다. 주파수 증가, 다중 IC 패키지, 부품 밀도 상승과 같은 산업 동향으로 인해 칩 패키지와 IC 모두에서 전압 강하 이 더욱 커지고 있습니다.

데이터 센터의 수와 밀도가 증가함에 따라, 전기 엔지니어들은 칩과 패키지의 에너지 소비를 줄이는 데 더욱 주력하고 있습니다. 그렇기 때문에 이 두 요소에 대한 설계 흐름에는 전기 시스템 설계에 반복적인 피드백을 제공하여 최적화된 설계를 이끌어내는 전력 분석( 전력 무결성 )이 포함됩니다.

반도체 설계에서 전압 강하(IR drop)는 정적 형태와 동적 형태의 두 가지 형태로 나타날 수 있습니다.

정적 IR 강하

정적 IR 강하란 칩의 전원 공급 네트워크(PDN)에 걸리는 직류 전압 강하( 전압 강하 )를 말합니다. 이는 옴의 법칙을 따르며, 회로의 전류량이나 저항이 증가함에 따라 커집니다. 정적 전압 강하( 전압 강하 )의 주요 원인은 다음의 저항입니다:

• 칩 내의 구리 금속 층 또는 상호 연결부
• 금속 층을 수직으로 연결하는 구리 비아
• 볼 그리드 어레이(BGA) 연결부의 패키지 리드 및 솔더
• 패키지 PCB의 기계식 커넥터에서 연결이 느슨한 경우
• 패키지 PCB상의 흔적

엔지니어들은 정적 IR 강하를 최소화하려고 노력합니다. 칩의 특정 영역에 공급되는 전압이 공급 전압에 비해 너무 낮아지면, 해당 영역의 트랜지스터가 예상되는 주파수보다 느리게 스위칭되기 때문입니다. 이로 인해 칩의 유효 클럭 속도가 저하되거나 논리적 오작동이 발생할 수 있습니다.

동적 IR 드롭

칩상의 수많은 트랜지스터가 동시에 켜지거나 꺼지면, 해당 부위의 전류가 급격히 증가할 수 있습니다. 그리고 전압 강하(IR drop)는 전류와 저항의 곱이므로, 전류-전압 곡선( 전압 강하 )이 급격히 치솟게 됩니다. 전류 증가 외에도, 전류의 변화로 인해 자기장이 발생하고 이 자기장이 회로에 인덕턴스를 유발하여, 전류-전압 곡선( 전압 강하)이 훨씬 더 크게 치솟게 됩니다.

동적 IR 강하(IR drop)의 경우, 다음 방정식이 전류-전압 관계( 전압 강하)를 정의합니다:

$$V_{drop} = (I \times R) + \left(L \times \frac{dI}{dt}\right)$$

여기서

Vdrop = 전압 강하

I = 전류

R = 저항

L = 인덕턴스

$$\frac{dI}{dt} \text{ = 시간에 따른 전류의 변화} $$

다음과 같은 다양한 출처에서 이러한 유형의 전압 강하 가 생성됩니다:

• 패키지 본드 와이어, 솔더 범프, PCB 트레이스의 인덕턴스
• 상호 연결 인덕턴스
• 전원 평면과 접지 평면 사이의 인덕턴스

전류와 인덕턴스의 변화는 전원에 연결된 PDN 부분, 즉 전원 레일과 접지에 연결된 부분인 접지 레일에 영향을 미칩니다. 전류의 과도적 급증으로 인해 전원 레일의 전압이 떨어지는 현상(전압 드롭)이 발생하는 반면, 접지 레일에서는 전압이 일시적으로 상승하는 현상(그라운드 바운스)이 발생합니다. 이로 인해 트랜지스터는 전원 측에서 예상보다 낮은 전압을, 접지 측에서는 더 높은 전압을 감지하게 되며, 결과적으로 전원 측과 접지 측 간의 전압 차이가 줄어들어 스위칭 속도가 저하됩니다.

엔지니어들은 PCB, 멀티칩 패키지, IC 등 전자 회로에서 전류 강하( 전압 강하 )를 최소화하기 위해 다양한 방법을 적용합니다. 대부분의 방법은 저항을 줄이거나, 인덕턴스를 최소화하거나, 동적 전류 강하 시 발생하는 전류 스파이크를 방지하는 데 중점을 둡니다. 가장 일반적인 해결책으로는 다음과 같은 것들이 있습니다:

• PCB의 경우:
  • 전원 트레이스를 전원 플레인으로 대체하거나, 미사용 영역을 구리로 채워 전원을 전송하도록 하십시오
  • 트레이스 넓히기 또는 두껍게 만들기
  • 전력을 많이 소비하는 부품을 전원 공급원에 최대한 가깝게 배치하여, 가능한 한 전류 경로를 짧게 하십시오.
  • 층 간 비아의 수를 늘리십시오
  • 동적 IR 강하를 완화하기 위해 전원 핀 근처에 디커플링 커패시터를 추가하십시오.
  • 열 관리 시스템을 구축하여 온도를 허용 범위 내로 유지하십시오
  • 그라운드 바운스를 줄이기 위해 저임피던스 리턴 경로를 제공하십시오
  • 인덕턴스를 최소화하기 위해 트레이스, 배선, 전원 평면 및 접지 평면의 배치를 설계하십시오.
• 다중 칩 패키지의 경우:
  • 칩 간 및 상호 연결부 간의 인덕턴스 관리
  • 인덕턴스를 제어하면서 패키지 하단에서 상단의 칩으로 전력을 전달하기 위해 실리콘 관통 비아(TSV)를 포함한다
  • 인터포저를 사용하여 칩 간에 전력을 전달한다
  • 칩과 인터포저를 연결하는 마이크로범프의 수를 늘린다
  • 필요한 곳에 디커플링 커패시터를 설치하십시오
  • 유도를 최소화하기 위해 전도 경로, 접지 경로 및 전원 경로를 배치하십시오.
• IC용
  • 더 넓은 전력 그리드와 더 두꺼운 전력 레이어를 사용하십시오
  • 파워 링을 사용하여 기능 블록에 전원을 공급하세요
  • 다이 의 디커플링 커패시터를 포함하십시오
  • 파워 게이팅을 사용하여 칩 내의 유휴 블록에 대한 전원을 완전히 차단합니다.
  • 클록 게이팅을 활용하여 유휴 데이터 경로를 통해 플립플롭 신호가 전송되는 것을 방지한다
  • 유도를 최소화하기 위해 설계 규칙을 적용한다

오늘날 엔지니어들은 전력 관련 문제( 전압 강하 )를 파악하고 해결책을 구현하는 데 도움이 되는 다양한 고성능 시뮬레이션 도구를 보유하고 있습니다. 솔루션을 선택할 때, 엔지니어들은 회로 레이아웃을 활용하는 데 드는 노력을 최소화하기 위해 전력 시뮬레이션 소프트웨어가 자사의 EDA 도구와 원활하게 연동되는지 확인해야 합니다.

대부분의 디지털 IC 설계에서 엔지니어들은 성능, 전력, 면적(PPA) 최적화 단계에서 레지스터 전송 레벨 (RTL) 설계 프로세스를 사용하여 회로의 동작을 처음 레이아웃할 때부터 전압 강하 관리를 시작합니다. 엔지니어들은 제안된 회로를 활용하여 Synopsys PrimePower RTL 수준에서 전력을 분석, 프로파일링 및 절감할 수 있습니다.

실리콘 칩의 시제품 제작, 구현 및 최적화 과정에서 다음과 같은 EDA 도구를 사용하여 Fusion Compiler 및 3DIC Compiler (멀티다이 설계용)과 같은 EDA 도구를 활용하고, 설계 내 Multiphysics 융합 기능을 함께 사용하면 설계자는 설계가 최종 확정되기 전에 잠재적인 전압 강하 문제를 예측하고, 찾아내며, 수정할 수 있습니다.

PCB에서 전류 분산( 전압 강하 )을 이해하려면, Ansys 의 SIwave PCB 및 패키지 전자기 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 전력 무결성 도구를 활용하는 것부터 시작해야 합니다. 이 소프트웨어는 정적 및 동적 IR 강하를 계산할 뿐만 아니라, 열 관리 시뮬레이션을 위한 발열량 계산은 물론, 신호 무결성 및 EMI 분석까지 수행할 수 있다는 장점이 있습니다.

IC 및 멀티칩 패키지의 경우, 엔지니어들은 다음과 같은 디지털 전력 무결성 사인오프 시뮬레이션 패키지 Synopsys RedHawk-SC 소프트웨어와 같은 디지털 신호 검증( 기판) 시뮬레이션 패키지를 사용하여 PCB, 패키지 신호 검증( ), 칩 및 칩렛 PDN의 시뮬레이션을 통합합니다. 마찬가지로, 엔지니어들은 아날로그 또는 혼합 신호 IC를 위한 Synopsys Totem전력 무결성 아날로그 또는 혼합 신호 IC용 사인오프 플랫폼과 같은 도구를 사용합니다.

집적회로(IC)의 비선형 시뮬레이션( 전력 무결성 )에서 가장 큰 과제는 가능한 신호 조합의 수가 너무 많아 명시적으로 분석하기에는 벅차다는 점입니다. 이 때문에 엔지니어들은 IC 회로를 테스트하고 비선형 계수( 전압 강하)를 계산하기 위해 다음 세 가지 접근법 중 하나를 사용합니다:

• 벡터 기반 분석

엔지니어들은 게이트 레벨 또는 RTL 시뮬레이션에서 도출된 스위칭 동작을 활용하여, 설계 내 모든 전기적 연결점(노드)의 논리 상태(0 또는 1)를 지정하는 벡터 집합을 생성합니다. 이 접근 방식의 장점은 칩의 실제 작동 상태를 테스트할 수 있다는 점입니다. 단점은 사용자가 최악의 경우 전압 강하 에 해당하는 상태를 놓칠 수 있다는 점입니다.

• 벡터가 없는 분석

설계 과정 초기 단계에서 엔지니어들은 전력 수준에 대한 통계적 추정치를 활용하여 최악의 경우를 가정한 전류 프로파일을 작성합니다. 이 방법의 장점은 속도가 빠르며, 벡터 기반 분석에서처럼 여러 상태를 시뮬레이션할 필요가 없다는 점입니다. 단점은 최대 전류( 전압 강하)를 과대평가할 수 있다는 점입니다.

• 동적 분석

엔지니어들이 IC 내 전원 분배 네트워크( 전압 강하 , PDN)에 대한 보다 정확한 정보를 필요로 할 때, SigmaDVD와 같은 도구를 사용하여 PDN의 전체 시간 영역 과도 시뮬레이션을 수행합니다. Synopsys RedHawk-SC . 이 방법은 벡터 기반 분석과 동일한 데이터를 사용하지만, 매 시간 단계마다 회로 PDN의 저항, 인덕턴스, 정전용량(RLC) 값을 계산합니다. 이는 동적 IR 강하와 그라운드 바운스를 파악하는 데 가장 효과적인 접근 방식입니다. 또한 파워 게이팅과 같은 전압 강하 제어 솔루션이나 IC 내의 기타 급격한 과도 현상을 모델링할 수 있습니다. 단점은 계산에 더 많은 시간이 소요될 수 있다는 점입니다.