기준이 되는 전압도 온도에 따라 달라집니다
기준전압 회로(voltage reference)는 측정이나 제어의 기준으로 사용할 전압을 만드는 회로입니다. 예를 들어 ADC(Analog-to-Digital Converter, 아날로그·디지털 변환기)는 입력 전압을 기준전압에 대한 비율로 읽습니다. 기준전압이 변하면 입력이 그대로여도 변환 결과가 달라질 수 있습니다.
주변 열원으로는 전원 레귤레이터뿐 아니라 항온 수정 발진기(OCXO, Oven-Controlled Crystal Oscillator)도 있습니다. OCXO는 수정의 온도를 일정하게 유지해 주파수 변화를 줄이는 발진기입니다. 내부를 가열하는 과정에서 발생한 열은 같은 기판에 놓인 다른 회로에도 영향을 줄 수 있습니다.
먼저 발열 부품과 기준전압 회로를 떨어뜨릴 수 있는지 봅니다. 공간이 부족하다면 기준전압 부품과 관련 소자를 작은 영역에 모으고 그 주변을 절개하는 열 분리 구조(thermal isolation)를 검토할 수 있습니다. 이때의 ‘분리’는 열 전달을 줄인다는 뜻이며, 전기적으로 접지를 끊는다는 뜻은 아닙니다.
기판을 섬처럼 남기되 필요한 배선은 연결합니다
슬롯(slot)은 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board)에 길게 가공한 구멍입니다. 기준전압 회로 주변에 슬롯을 두면 넓게 이어졌던 기판과 구리의 열 전달 경로가 줄어듭니다. 회로가 올라간 부분은 본기판과 좁은 연결부로 이어진 작은 섬처럼 남습니다.
연결부에는 전원, 기준전압 출력, 접지(GND, Ground) 등 필요한 배선이 지나가야 합니다. 귀환 경로(return path)는 회로로 들어간 전류가 공급원으로 돌아가는 길입니다. 슬롯 때문에 이 길이 끊기거나 신호와 크게 떨어지지 않도록 합니다. 기판의 안쪽 구리층도 확인해야 합니다. 겉에서만 구리를 줄이고 내부층에 넓은 구리를 남기면 그 경로를 통해 열이 전달될 수 있습니다.
연결부를 무조건 가늘게 만들면 기판이 약해지고 배선 저항도 커질 수 있습니다. 부품을 놓을 자리, 제조 가능한 슬롯 폭, 구리와 가공선 사이 거리, 조립 중 지지 방법을 함께 정합니다. 이미 조립한 기판을 잘라 보는 대신 설계 단계에서 모든 층의 배선과 가공 정보를 대조합니다.
초기 오차와 온도에 따른 변화는 따로 계산합니다
초기 오차(initial accuracy)는 정해진 시험 조건에서 출력이 목표 전압과 얼마나 다른지를 나타냅니다. 온도계수(temperature coefficient, tempco)는 온도가 바뀔 때 출력이 변하는 정도를 나타내며, 보통 ppm/°C로 표시합니다. ppm은 백만분율이므로 10 ppm은 0.001%입니다. 초기 오차가 0.1%라는 정보만으로 온도 변화에 얼마나 민감한지는 알 수 없습니다.
설명용으로 2.5 V 기준전압이 어떤 온도 구간에서 +10 ppm/°C의 일정한 기울기를 갖는다고 가정하겠습니다. 그 구간에서 부품 온도가 20°C 오르면 전압 변화는 다음과 같이 근사할 수 있습니다.
ΔV ≈ 2.5 V × 10 × 10⁻⁶/°C × 20°C = 0.0005 V = 0.5 mV입니다.
ΔV는 출력의 변화량이며, mV는 1,000분의 1 V입니다. 이 계산은 특정 기판의 측정 결과가 아닙니다. 실제 온도 특성은 직선이 아닐 수 있고, 데이터시트의 온도계수는 지정 구간 전체의 최댓값·최솟값으로 정의되기도 합니다. 제품의 시험 조건과 정의를 확인한 뒤 계산해야 합니다. 슬롯을 추가했다고 온도 상승이나 전압 오차가 일정 비율로 줄어든다고 가정하지 않습니다.
슬롯을 넣기 전후에 무엇을 비교할지 정합니다
다음은 배치 변경을 평가하기 위한 시험 순서입니다. 슬롯의 유무만 바꾼 두 기판을 준비할 수 있다면 원인을 구분하기가 쉬워집니다.
- 같은 조건에서 시작합니다. 공급 전압, 기준전압 회로의 부하, 주변 온도, 외함과 냉각 조건을 맞춥니다. 계측기도 충분히 안정시키고 같은 측정 범위와 연결을 사용합니다.
- 전압과 온도를 함께 기록합니다. 전원을 켠 시점부터 기준전압 출력, 기준전압 부품 부근의 온도, 열원 부근의 온도를 시간에 따라 기록합니다. 온도 측정용 배선이 새로운 열 전달 경로를 크게 만들지 않도록 부착 방법도 일정하게 합니다.
- 열원 조건을 구분합니다. 허용된 동작 상태 안에서 열원의 부하를 바꾸고 출력 변화가 뒤따르는지 봅니다. 동시에 공급 전압이 바뀌었다면 열 영향만으로 단정하지 않습니다. OCXO가 정해진 주파수로 안정되는 시간도 별도로 확인합니다.
- 안정된 뒤의 차이를 비교합니다. 출력이 처음 값에서 얼마나 이동했는지, 안정되는 데 얼마나 걸렸는지, 반복 전원 인가에서 같은 경향이 나오는지 확인합니다. 요구 정확도를 만족하는지 판단하고 측정하지 못한 온도 구간은 따로 남깁니다.
출력의 상대 변화는 기준으로 정한 전압에 대한 비율로 비교할 수 있습니다. V₀를 지정한 초기 시점의 출력, V₁을 비교 시점의 출력이라고 하면 다음과 같습니다. 두 값의 단위는 모두 V입니다.
상대 변화량 = (V₁ − V₀) / V₀ × 10⁶ ppm입니다.
슬롯 없는 기판과 있는 기판을 비교할 때도 V₀를 정하는 시점을 같게 해야 합니다. 보정 전후의 절대 오차와 전원을 켠 뒤의 변화량을 한 숫자로 섞지 않습니다.
열 이외의 경로도 확인해야 합니다
슬롯이 있어도 공기, 외함, 배선과 남은 연결부를 통해 열이 전달됩니다. 기준전압 부품 자체의 소비 전력도 남습니다. 반대로 연결부를 줄여 스스로 발생한 열이 빠져나가기 어려워질 수도 있으므로 주변 열원과의 거리만으로 결과를 예측하지 않습니다.
기판을 절개하면 기계적 강성도 바뀝니다. 정밀 부품은 기판 휨이나 체결력의 영향을 받을 수 있으므로 최종 외함에 고정한 상태에서도 전압을 확인합니다. 슬롯 위로 고속 신호를 가로질러 배선하거나, 열을 줄이려다 접지 연결을 끊는 방식은 피합니다. 이 구조의 효과는 부품의 정확도 표기가 아니라 완성 기판의 온도와 출력 변화로 판단합니다.