“고속 디지털 시스템에서 반복되는 노이즈 문제를 해결하려면 신호 무결성, 전원 무결성, 전자파 간섭을 따로 볼 것이 아니라 하나의 물리 현상으로 연결해 봐야 한다”

김귀수 웨이브인센스(WaveInsense) CTO는 12일 e4ds 웨비나에서 ‘노이즈와의 전쟁: “Frequency Domain으로 꿰뚫어 보는 SI/PI/EMI”’를 주제로 발표하며, 하드웨어 엔지니어가 현장에서 마주하는 SI, PI, EMI 문제를 주파수 영역에서 통합적으로 분석하는 전략을 소개했다.

발표의 출발점은 현장에서 반복되는 악순환이었다.

SI 문제를 수정하면 EMI가 발생하고, EMI를 잡기 위해 대책을 적용하면 PI 문제가 생기며, 다시 PI를 수정하면 SI 문제가 재발하는 식이다.

김귀수 CTO는 이 같은 현상이 발생하는 이유에 대해 “SI·PI·EMI가 서로 독립된 문제가 아니라 하나의 시스템으로 연결된 물리 현상”이기 때문이라고 설명했다.

주파수 영역에서는 세 가지 문제를 하나의 관점에서 동시에 볼 수 있어 원인 분석에 효과적이라는 것이 발표의 핵심 메시지였다.

이를 위해 김귀수 CTO는 먼저 RF 및 전송선로 기반 기초 이론을 제시했다.

발표에 따르면 PCB에서 단순한 트레이스만으로는 전송선로라고 보기 어렵고, 트레이스와 기준면인 그라운드가 함께 존재할 때 전송선로 이론이 적용된다.

특히 선로 길이가 파장의 10분의 1 이상이 되면 단순한 배선이 아니라 분포소자로 취급해야 하며, 예를 들어 1GHz 신호의 파장이 30cm일 때 선로 길이가 3cm 이상이면 기생 L·C·R 성분을 고려해야 한다고 설명했다.

임피던스 불연속도 주요 원인으로 제시됐다.

비아, 커넥터, 선로 폭 변화, 벤드 등에서는 임피던스가 불연속적으로 변하고, 이로 인해 신호 왜곡과 반사, 방사 문제가 발생할 수 있다.

발표에서는 이러한 부정합을 해석하고 정합하기 위한 도구로 스미스 차트를 언급했으며, 직렬·병렬 캐패시터나 인덕터를 활용해 관심 주파수 대역의 임피던스를 조정할 수 있다고 설명했다.

또 디지털 엔지니어가 크로스톡이라고 부르는 현상은 RF 관점에서 커플드 라인 이론으로 해석할 수 있으며, 디지털 속도가 빨라질수록 RF 이론이 문제 해결의 핵심 도구가 된다고 강조했다.

그라운드의 중요성도 비중 있게 다뤄졌다.

발표 자료는 결함 접지 구조인 DGS를 예로 들어, 그라운드에 의도치 않은 끊김이나 패턴 이상이 생기면 특정 주파수에서 공진이나 차단 특성이 나타날 수 있다고 설명했다.

귀환 전류가 정상 경로를 벗어나 돌아가면 유효 인덕턴스가 증가하고, 이로 인해 신호 왜곡과 방사의 원인이 될 수 있다는 것이다.

김귀수 CTO는 그라운드 결함이 의도치 않은 공진과 차단 특성을 만들 수 있다는 점을 강조했다.

SI 분석에서는 비아 스터브가 대표 사례로 제시됐다.

비아를 통해 층간 이동한 뒤 남는 구간은 오픈 스터브처럼 작용하며, 스터브 길이가 특정 주파수의 4분의 1 파장 조건을 만족하면 공진이 발생한다.

이때 오픈 구조가 특정 주파수에서 쇼트처럼 보이면서 신호 성분이 빠져나가고, S21 노치와 삽입 손실 증가로 이어질 수 있다.

발표에서는 스터브 길이가 길수록 낮은 주파수에서 공진하고, 고속 신호일수록 짧은 스터브도 영향을 줄 수 있으므로 백드릴링이나 블라인드·매립 비아 적용 등으로 스터브를 제거해야 한다고 설명했다.

이 같은 문제는 시간 영역에서는 아이 다이어그램 열화로 나타난다.

발표에서는 Eye Height를 전압 마진, Eye Width를 타이밍 마진으로 설명하며, 비아 스터브와 반사, 삽입 손실 악화가 발생하면 아이가 닫히고 전압·타이밍 마진이 줄어든다고 밝혔다.

다만 김귀수 CTO는 아이 다이어그램은 원인이 아니라 결과이며, 실제 원인은 주파수 영역에서 찾아야 한다고 강조했다.

이를 위해 VNA를 이용한 S11, S21, SDD21 측정과 위상 노이즈 분석기를 통한 오실레이터·PLL의 위상 노이즈 및 지터 분석이 제시됐다.

PI 분석에서는 다이나믹 전압 강하와 PDN 공진이 핵심으로 다뤄졌다.

디지털 칩은 스위칭 순간 많은 트랜지스터가 동시에 동작하면서 짧은 시간에 큰 전류 변화를 만들고, 이때 전원 경로의 분포 인덕턴스에 걸리는 전압이 커지면서 IC에 공급되는 전압이 순간적으로 낮아진다.

발표에서는 이를 Dynamic Voltage Drop으로 설명했다.

또 전원·그라운드 플레인의 기생 L·C, 디커플링 캐패시터의 ESL·ESR, 비아·패키지·플레인 구조가 결합해 PDN 공진과 안티레조넌스 피크를 만들 수 있다고 밝혔다.

PDN 문제의 해법은 목표 임피던스 이하로 전 주파수 대역의 임피던스를 낮게 유지하는 것이다.

발표에서는 허용 전압 드롭을 최대 전류 변화량으로 나눠 타겟 임피던스를 설정하고, 디커플링 캐패시터의 값과 수량, 배치, 그라운드 비아와 플레인 비아, 스택업과 평면 구조를 최적화하는 절차를 제시했다.

특히 캐패시터를 많이 넣는 것보다 주파수별로 적절히 배치하는 것이 중요하며, 잘못 설계하면 오히려 안티레조넌스가 커질 수 있다고 설명했다.

검증 단계에서는 튜닝 전후의 PDN 임피던스 프로파일과 전압·전류 핫스팟 감소 여부를 확인해야 한다고 밝혔다.

EMI 분석에서는 회로 하나만 볼 것이 아니라 시스템 전체를 봐야 한다는 점이 강조됐다.

발표에 따르면 EMI는 노이즈 소스, 커플링 패스, 안테나 구조라는 세 가지 요소가 동시에 존재할 때 발생한다.

하나라도 없으면 EMI가 발생하지 않기 때문에, 원인을 찾으려면 주요 노이즈 소스를 식별하고 전달 경로를 파악하며 안테나 구조를 최소화해야 한다.

또한 내부 노이즈가 외부로 방사되기 전에 시스템 내부의 민감한 회로를 공격하는 셀프 인터피어런스 개념도 소개됐다.

이는 아이 다이어그램 열화, 지터 증가, 비트 에러 증가, PI 악화로 이어질 수 있으며 결국 EMI 방사로 연결될 수 있다.

실전 사례로는 초음파 장비의 EMC 인증 대응 경험이 소개됐다.

발표에 따르면 프리미엄 초음파 장비 출시를 앞두고 EMI 인증 테스트에서 심각한 문제가 발생했으며, 기존 대응은 장비 틈새를 동박·은박·금박 등 전도체 테이프로 막는 방식이었다.

김귀수 CTO는 노이즈가 단순히 틈으로 새는 것이 아니라 케이스 틈새가 슬롯 안테나 또는 다이폴 안테나 구조를 만들었을 가능성에 주목했고, 전도체 핑거를 이용해 틈새 양쪽을 등전위로 연결함으로써 문제 주파수를 제거했다고 설명했다.

또한 보드 그라운드와 케이스 그라운드의 단절, HDMI 케이블 접지 불연속도 주요 원인으로 지목됐다.

HDMI 케이블 사례에서는 접지 연결의 중요성이 수치로 제시됐다.

김귀수 CTO에 따르면 케이블 접지와 커넥터 접지가 전기적으로 연결된 경우와 그렇지 않은 경우 방사값에서 약 20dB 차이가 나타났으며, 이는 전압 기준 100배 차이에 해당한다고 설명됐다.

또 HDMI 프리엠파시스 설정 오류도 발견됐다.

담당자가 Pre-emphasis를 Pre-amp로 오해해 6dB로 설정했으나, 이를 0dB로 재설정한 뒤 SI와 EMI가 모두 개선됐다고 발표했다.

비용 절감 사례도 함께 제시됐다.

김귀수 CTO는 연구소 내부 EMI 챔버의 절대값은 장담하기 어렵더라도 전체 주파수 대역의 경향성은 신뢰할 수 있다고 판단해 내부 챔버에서 충분히 디버깅한 뒤 인증 시험소를 활용했다고 설명했다.

실제 사례 발표에서는 외부 챔버 사용 비용이 최대 1,600만원인 사례와 비교해 김귀수 CTO가 90만원 수준으로 대응했다는 내용이 제시됐고, 최고 사용자 대비 1/18 수준으로 비용을 줄였다는 설명도 포함됐다.

최종적으로 수직편파와 수평편파 모두 충분한 마진으로 EMC 인증을 취득할 수 있었다.

김귀수 CTO의 결론은 명확했다.

하이스피드 디지털 문제는 시간 영역이 아니라 주파수 영역의 문제이며, SI·PI·EMI는 서로 분리된 문제가 아니라 하나의 물리 현상으로 연결돼 있다는 것이다.

문제는 아이 다이어그램에서 보일 수 있지만 원인은 주파수 영역에서 찾아야 하며, 측정과 주파수 도메인 분석, 근원 원인 접근을 통해 디버깅 방식을 바꿔야 한다고 강조했다.

발표의 마지막 메시지는 “주파수에서 생각하고, 주파수로 해결하라”였다.