KR100801287B1 - 평면 회로 기판〔ｐｃｂ〕전력 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 평면 회로 기판(PCB) 전력 공급 장치에 관한 것이다.
본 발명의 평면 회로 기판(PCB) 전력 공급 장치는 그라운드(GND)역할을 하는 접지면; 손실 유전체를 사이에 두고 소정의 거리만큼 이격되어 있고, 특정 공진으로 인해 발생되는 임피던스값을 낮추는 축전기를 포함하는 전력평면; 상기 전력 평면 상의 전력 공급점을 통해 공급되는 전력의 직류성분을 제거하기 위해 상기 전력평면과 상기 접지면을 연결하는 제1 메탈 평면; 및 상기 전력 평면 상의 전력 공급점을 통해 공급되는 전력의 직류 성분을 제거하기 위해 상기 제1 메탈 평면과 대향하게 상기 전력평면과 상기 접지면을 연결하는 제2 메탈 평면을 포함한다.
이러한 본 발명에 따르면, 메탈 평면, 비아(Via)와 축전기(DeCap)를 이용하여 회로기판에 공급되는 전력 성분 중 주파수 영역의 공진과 직류 성분을 효율적으로 제거함으로써, PCB 내의 직접 잡음 전달 및 방사에 의한 전자파 침투에 취약한 인접기기의 오동작 문제를 해결할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
비아, PCB, 공진, DC, 축전기, 디커플링 캐패시터, 전자파, 저주파, 메탈 평면

Description

평면 회로 기판〔ＰＣＢ〕전력 공급 장치{POWER SUPPLY DEVICE IN PRINTED CURCIUT BOARD}
도1은 종래 기술에 따른 평면회로기판 전력 공급 장치를 도시한 블록도이다.
도 2는 상기 도1에 따른 종래기술의 전력 평면에서의 공진 특성을 도시한 그래프이다.
도 3은 종래기술에 따른 전역(Global) 축전기 분포 기법을 이용하는 전력 공급 장치의 전력평면을 도시한 블록도이다.
도 4는 종래기술에 따른 전역 국소 축전기 분포 기법을 이용하는 전력 공급 장치의 전력평면을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 평면 회로 기판(PCB) 전력 공급 장치를 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 임피던스 특성을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 평면 회로 기판(PCB) 전력 공급 장치를 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 제1 임피던스 특성을 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 제2 임피던스 특성을 도시한 그래프이다.
본 발명은 평면 회로 기판(PCB) 전력 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 평행평판 이면개방형 구조를 갖는 평면 회로 기판(PCB)에 전력을 공급하기 위한 평면회로기판(PCB) 전력 공급 장치에 관한 것이다.
전자 장치는 일반적으로 다층의 평면회로기판(PCB)들로 구성되어 있다. 이러한, 전자 장치의 평면회로기판(PCB) 중에 전력 공급선들을 공유하는 전력평면(Power-Plane)과 접지면(Ground)은 하기의 도1과 같이 평행평판 파워버스(Power-Bus)가 된다.
도1은 종래 기술에 따른 평면회로기판 전력 공급 장치를 도시한 블록도이다.
도1에 나타낸 바와 같이, 종래 기술의 평면회로기판 전력 공급 장치는 PCB 평행평판 사면개방형 Power-bus구조를 갖으며, 전력평면(Power-Plane)(30)과 접지면(Ground)(40)을 포함한다.
전력 평면(30)과 접지면(40) 사이는 손실 유전체로 채워지며, 손실 유전체의 사면은 외부의 공기와 접하고 있다.
이때, 손실 유전체는 상대율이 er, 손실특성이 tand로 표시되며, 일반적으로 각각 4.2와 0.02값을 갖는다.
전력 평면(30)은 (X0, Y0)에 위치한 전력공급점(Feeding Probe Point)(31)으로 전력이 공급된다. 이때, 전력 공급을 측정하기 위해, 동일 위치에서 측정하면 입력 임피던스(1 feed probe 사용), 다른 위치에서 관측되면 전달 임피던스라고 명명된다.
여기서, 전력 평면(30)의 파워 버스(Power-bus)의 크기는 (X, Y, Z)축에 맞춰 (Wx, Wy, Wz)로서 표시되고, (200mm, 150mm, 1.5mm)로 주어진다. 이 입력값들을 가지고 엄밀한 Modal 해석기법을 이용하여 입력 임피던스의 주파수 영역 특성을 살피면 다음의 도 2에 도시한 공진특성을 얻게 된다.
도 2는 상기 도1에 따른 종래기술의 전력 평면에서의 공진 특성을 도시한 그래프이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 종래기술의 평면회로기판 전력 공급 장치는 주파수의 변화와 모드에 따라 임피던스의 첨두치에 해당하는 공진들이 발생한다.
이러한, 임피던스들은 두 평판들을 타고 다니다 회귀하는 신호들의 전압파와 전류파의 관계로 발생하게 되며, 이들이 높을수록 접지면(40)과 전력평면(30)에 잡음 신호가 많이 실리게 된다.
또한, 전력공급선(Feed)(31)을 타고 바이어스에 영향을 미치기도 한다.
특히, 종래기술에 따른 도2에서는 DC(Direct Current) 즉, 0Hz에서 임피던스 값이 제일 큰 것을 알 수 있다.
한편, 이러한 평면회로기판(PCB)에 의한 전력선의 임피던스를 증가시키는 잡 음의 양을 낮추기 위해 전력 평면(30)에 DeCap(Decoupling Capacitor; 이하, "축전기"라 함.)를 조합하여 사용하고 있으며, 대표적으로 도3 및 도4에 나타낸 전역 분포 기법과 전역 국소 분포 기법이 있다.
도 3은 종래기술에 따른 전역(Global) 축전기 분포 기법을 이용하는 전력 공급 장치의 전력평면을 도시한 블록도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 종래기술에 따른 전력 평면(10)은 다수의 축전기(12)들이 일정한 배열로 평판에 위치되며, 정해진 전기 회로값을 갖는 축전기(12)에 의해 저주파 대역의 임피던스 저하 대역이 넓어지는 향상된 특성을 얻을 수 있다. 이때, 전력공급점(X0, Y0)(11)은 축전기(12)와 상당한 거리를 두고 위치한다.
그러나, 전역(Global) 축전기 분포 기법을 이용하는 전력 공급 장치는 축전기(12)들의 수가 증가할수록 축전기(12)의 전기회로값과 일정한 배열의 적절한 조합을 찾기가 어려워지고, 0Hz에서의 임피던스가 최대가 되는 현상을 제거할 수 없는 문제점이 있다.
도 4는 종래기술에 따른 전역 국소 축전기 분포 기법을 이용하는 전력 공급 장치의 전력평면을 도시한 블록도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 종래기술에 따른 전역 국소 축전기 분포 기법을 이용하는 전력 공급장치의 전력평면(20)은 다수의 축전기(22)들이 일정한 배열로 평판에 위치되며, 정해진 전기회로값을 갖는 축전기(22)에 의해 저주파 대역의 임 피던스 저하 대역이 넓어지는 향상된 특성을 얻을 수 있다. 이때, 소수의 축전기(22)들은 전력공급점(Input Port)(21)과 관측점에 인접하게 위치한다.
그러나, 전역 국소 축전기 분포 기법을 이용하는 전력 공급장치는 대역이 좀 더 넓어지는 효과를 발생시키지만, 직류-첨두치 제거의 문제를 완전히 해결하지 못하며, 다수의 축전기들을 사용해야 하는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 평행평판 이면개방형 구조를 갖는 평면 회로 기판(PCB)에 전력을 공급하기 위한 평면회로기판(PCB) 전력 공급 장치를 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 첫 번째 특징에 따라서, 평면 회로 기판(PCB)에 전력을 공급하는 장치는, 그라운드(GND)역할을 하는 접지면; 손실 유전체를 사이에 두고 소정의 거리만큼 이격되어 있고, 특정 공진으로 인해 발생되는 임피던스값을 낮추는 축전기를 포함하는 전력평면; 상기 전력 평면 상의 전력 공급점을 통해 공급되는 전력의 직류성분을 제거하기 위해 상기 전력평면과 상기 접지면을 연결하는 제1 메탈 평면; 및 상기 전력 평면 상의 전력 공급점을 통해 공급되는 전력의 직류 성분을 제거하기 위해 상기 제1 메탈 평면과 대향하게 상기 전력평면과 상기 접지면을 연결하는 제2 메탈 평면을 포함한다.
본 발명의 두 번째 특징에 따라서, 평면 회로 기판(PCB)에 전력을 공급하는 장치는, 그라운드(GND)역할을 하는 접지면; 손실 유전체를 사이에 두고 상기 접지 면과 소정의 거리만큼 이격되어있는 전력평면; 상기 전력 평면 상의 전력 공급점을 통해 공급되는 전력의 직류성분을 제거하기 위해 상기 전력평면과 상기 접지면을 연결하는 제1 메탈 평면; 및 상기 전력 평면 상의 전력 공급점을 통해 공급되는 전력의 직류 성분을 제거하기 위해 상기 제1 메탈 평면과 대향하게 상기 전력평면과 상기 접지면을 연결하는 제2 메탈 평면을 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 평면 회로 기판(PCB) 전력 공급 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 평면 회로 기판(PCB) 전력 공급 장치를 도시한 블록도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 평면 회로 기판(PCB) 전력 공급 장치는 전력 평면(100), 접지면(200), 전력 공급선(110), 메탈 평면(300, 302) 및 비아(Via)(120) 을 포함하며, 전력 평면(100)과 접지면(200)이 일정거리만큼 이격되어 평행을 유지하고, 두 개의 메탈 평면(300, 302)이 전력 평면(100)과 접지면(200)의 두 모서리를 연결하여 전체적으로 2면이 개방된 직사각형을 이룬다.
전력 평면(100)은 손실 유전체로 접지면(200)과 일정 거리를 유지하고 있고, (X0, Y0)에 위치한 전력공급점(Feeding Probe Point)(111)을 포함하며, 한쪽 모서리가 제1 메탈 평면(300)을 통해 접지면(100)의 모서리와 연결되고, 또 다른 모서리가 제1 메탈 평면(300)과 평행한 제2 메탈 평면(302)을 통해 접지면(100)의 모서리와 연결된다. 이때, 두 개의 메탈 평면(300, 302)과 전력 평면(100), 접지면(200)의 연결은 물리적으로 완벽한 결합이 아니며, 미세한 크기의 간격을 유지하여 떨어져 있다
또한, 전력 평면(100)은 공급되는 전력을 이용하여 파워 버스를 형성한다. 여기서, 전력 평면(100)은 형성된 파워 버스를 통해 전력을 공급받는 특정 회로 소자들을 포함할 수 있다고 가정한다.
이때, 손실 유전체는 상대율이 er, 손실특성이 tand로 표시되며, 일반적인 값으로 각각 4.2와 0.02으로 주어진다.
전력공급선(110)은 전력 평면(100)의 전력 공급점(X0, Y0)(111)으로 전력을 공급한다.
메탈 평면(300, 302)은 도전성 물질이 입혀진 평면으로, 제1 메탈 평면(300) 및 제2 메탈 평면(302)이 서로 평행하게 전력 평면(100), 접지면(200)의 모서리와 연결되며, 전력 평면(100)으로 공급되는 전력에 포함된 직류(DC) 성분에 따른 임피던스를 상당히 낮추는 역할을 한다.
접지면(200)은 그라운드 역할을 하는 면이다.
이러한, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 공급 장치는 메탈 평면을 이용하여 전력 평면으로 공급되는 전력에 포함된 직류 성분에 따라 발생되는 임피던스 상승을 효율적으로 저감시키는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 임피던스 특성을 도시한 그래프이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 공급 장치는 종래의 전력 공급 장치에서 발생되는 직류 성분에 대한 임피던스 상승을 효율적으로 저감시킨다.
특히, 직류 성분인 0HZ의 임피던스 값을 종래보다 107배나 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
다음은 제2 실시 예에 따른 전력 공급 장치를 설명한다.
도 7는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 평면 회로 기판(PCB) 전력 공급 장치를 도시한 블록도이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 평면 회로 기판(PCB) 전력 공급 장치는 전력 평면(150), 접지면(250), 전력공급선(Feeding probe)(160), 비아(Via)(170) 및 메탈 평면(350, 352)을 포함한다.
전력 평면(150)은 손실 유전체로 접지면(250)과 평행하게 일정 거리를 유지하고 있고, 하나의 축전기(Decoupling Capacitor; 이하, "축전기"라 함.)(140), (X0, Y0)에 위치한 전력공급점(Feeding Probe Point)(161) 및 단락점(X, Y)(171)를 포함하고, 한쪽 모서리가 제1 메탈 평면(350)을 통해 접지면(150)의 모서리와 연결되고, 또 다른 모서리가 제1 메탈 평면(350)과 평행한 제2 메탈 평면(352)을 통해 접지면(150)의 모서리와 연결된다. 이때, 두 개의 메탈 평면(350, 352)과 전력 평면(150), 접지면(250)의 연결은 물리적으로 완벽한 결합이 아니며, 미세한 크기의 간격을 유지하여 떨어져 있다
또한, 전력 평면(150)은 공급되는 전력을 이용하여 파워 버스를 형성한다.
이때, 손실 유전체는 상대율이 er, 손실특성이 tand로 표시되며, 일반적인 값으로 각각 4.2와 0.02으로 주어진다.
축전기(Decoupling Capacitor)(140)는 전력 평면(150)의 임피던스를 증가시키는 잡음 성분에 대한 잡음원을 제거하고, 가용 저주파 대역을 확장한다. 즉, 축전기(140)는 공급되는 전력에서 발생되는 공진시의 높은 임피던스값을 효율적으로 저감시키는 역할을 한다. 여기서, 축전기(140)는 한쪽이 전력 평면(Power-bus)(150)에 연결되어 있고, 또 다른 한쪽이 접지면(Ground)(250)에 연결되어 있다고 가정하며, 전력 평면(150)의 가장자리의 중간에 위치한다. 이때, 가장자리의 중간은 회로기판이 X=200mm, Y=150mm, Z=1.5mm의 크기를 갖을 때, X=100mm, Y=0 의 위치를 말한다.
이때, 축전기(140)는 Decoupling Capacitor로써, 특정 용량성 리액턴스값, 특정 내부 저항값, 및 특정 유도성 리액턴스값을 갖으며, 사용자에 의한 교체 등을 통해 축전기 용량값의 변경이 용이하다. 이때, 본 발명의 실시 예에서는 각각 ESR=5.2, C=3.2nF, ESL=0.4nH의 값을 갖으며, 이는 사용자가 임의로 임피던스 값을 낮추도록 최적화를 통해 계산한 축전기값이다.
또한, 축전기(140)는 특정 회로칩(Chip)에 연결되어 전력을 공급받고, 공급받은 전력의 높은 임피던스 값을 감소시킬 수도 있다.
전력공급선(160)은 전력 평면(150)의 전력 공급점(X0, Y0)(161)으로 전력을 공급한다. 이때, 전력 공급점은 회로기판이 X=200mm, Y=150mm, Z=1.5mm의 크기를 갖을 때, X=40mm, Y=15mm에 위치한다.
비아(Via)(170)는 전력 평면의 단락점(X, Y)(171)으로 연결되며, 전력 평면(150)에 공급되는 전력 성분 중 직류 성분을 단락시키는 역할을 한다. 여기서, 비아(Via)는 전력 평면(150)과 접지면(250)에 연결된다. 이때, 단락점(171)은 전력 평면의 중심에 위치한다.
메탈 평면(350, 352)은 도전성 물질이 입혀진 평면으로, 제1 메탈 평면(350)및 제2 메탈 평면(352)이 서로 평행하게 전력 평면(150), 접지면(250)의 모서리와 연결되며, 전력 평면(150)으로 공급되는 전력에 포함된 직류(DC) 성분에 따른 임피던스를 상당히 낮추는 역할을 한다.
접지면(250)은 그라운드 역할을 하는 면이다.
이러한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력 공급 장치는 메탈 평면과 비아를 이용하여 직류 성분을 효율적으로 저감하고, 축전기를 이용하여 저주파 공진 성분의 임피던스 상승을 제거함으로써, 직류 성분과 공진 성분이 제거된 파워 버스를 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 제1 임피던스 특성을 도시한 그래프이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 제1 임피던스 특성(Power-Bus with two Metal-Coated Sides and Via and DeCap loaded)은 비아(Via)(170), 메탈 평면(350, 352)와 축전기(140)에 의해 종래 전력 평면의 임피던스 곡선(Original Power-Bus)보다 직류-단락효과, 직류잡음원의 제거와 저주파 대역의 공진 주파수에 대한 임피던스 상승을 억제 효과가 좋음을 알 수 있다. 특히, 직류 성분의 제거효과가 현저히 발생하며, 공진 주파수에 따른 임피던스 상승을 현저히 감소시킴을 알 수 있다.
다음은, 본 발명의 제2 실시 예에 따라 공진형 잡음 제거를 위해 축전기(180)의 용량값을 결정해 가는 과정에 대하여 임피던스 특성 그래프를 통해 설명하기로 한다.
도 9은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 제2 임피던스 특성을 도시한 그래프이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 제2 임피던스 특성 그래프는 전력 공급 장치에 포함된 축전기(140)의 변경(C=90pF, 200pF, 600pF, 3.2nF)을 통해 공진형 잡음을 제거하는 과정을 나타낸다.
비아(Via)(170)만 포함하는 전력 공급 장치의 경우(Impedance of the Power-bus loaded with via), 직류 성분만 제거되고 공진형 잡음은 그대로 유지되는 반면, 축전기(140)와 비아(Via)(170)을 포함하는 전력 공급 장치의 경우(A via and a DeCap), 공진형 잡음과 직류 성분이 제거되며, 특히, 축전기(140)의 용량이 클수록 (3.2nF) 공진형 잡음이 현저히 제거되는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
전술한 구성에 의하여, 전력 공급 장치는 메탈 평면을 이용하여 회로기판에 공급되는 전력 성분에 포함된 직류성분을 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 메탈 평면, 비아(Via) 및 축전기(DeCap)를 이용하여 회로기판에 공급되는 전력 성분 중 주파수 영역의 공진과 직류 성분을 효율적으로 제거함으로써, PCB 내의 직접 잡음 전달 및 방사에 의한 전자파 침투에 취약한 인접기기의 오동작 문제를 해결할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (7)

  1. 평면 회로 기판(PCB)에 전력을 공급하는 장치에 있어서,
    그라운드(GND)역할을 하는 접지면;
    손실 유전체를 사이에 두고 소정의 거리만큼 이격되어 있고, 특정 공진으로 인해 발생되는 임피던스값을 낮추는 축전기를 포함하는 전력평면;
    상기 전력 평면 상의 전력 공급점을 통해 공급되는 전력의 직류성분을 제거하기 위해 상기 전력평면과 상기 접지면을 연결하는 제1 메탈 평면; 및
    상기 전력 평면 상의 전력 공급점을 통해 공급되는 전력의 직류 성분을 제거하기 위해 상기 제1 메탈 평면과 대향하게 상기 전력평면과 상기 접지면을 연결하는 제2 메탈 평면
    을 포함하는 평면 회로 기판 전력 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 평면 상의 전력 공급점을 통해 공급되는 전력의 직류성분을 제거하기 위해 상기 전력평면과 상기 접지면을 연결하는 비아(Via)
    를 더 포함하는 평면 회로 기판 전력 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력평면의 축전기는,
    한쪽은 상기 공급되는 전력을 공급받고, 다른 한쪽은 상기 접지면에 연결되며, 특정 용량성 리액턴스값, 특정 내부 저항값, 및 특정 유도성 리액턴스값을 포함하는 평면 회로 기판 전력 공급 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력평면은 특정 저주파 공진 성분에 의해 발생되는 임피던스값의 상승을 낮추는 특징을 갖는 평면 회로 기판 전력 공급 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 손실 유전체는 미리 설정된 상대율과 손실 특성값을 포함하는 특징을 갖는 평면 회로 기판 전력 공급 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 축전기는 상기 동일한 내부 저항값과 유도성 리액턴스값을 갖는 다수의 축전기 중 상기 용량성 리액턴스값이 가장 큰 값의 축전기인 특징을 갖는 평면 회로 기판 전력 공급 장치.
  7. 평면 회로 기판(PCB)에 전력을 공급하는 장치에 있어서,
    그라운드(GND)역할을 하는 접지면;
    손실 유전체를 사이에 두고 상기 접지면과 소정의 거리만큼 이격되어있는 전 력평면;
    상기 전력 평면 상의 전력 공급점을 통해 공급되는 전력의 직류성분을 제거하기 위해 상기 전력평면과 상기 접지면을 연결하는 제1 메탈 평면; 및
    상기 전력 평면 상의 전력 공급점을 통해 공급되는 전력의 직류 성분을 제거하기 위해 상기 제1 메탈 평면과 대향하게 상기 전력평면과 상기 접지면을 연결하는 제2 메탈 평면
    을 포함하는 평면회로기판 전력 공급장치.
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