IR Drop 이란? (보드 내 전압 강하 현상)

IR이란, 대표적으로 전기전자에서 많이 사용하는 symbol  I 는 전류 Current를 의미, R은 옴 단위를 사용하는 저항 Resistance 를 의미한다.

 

VCC와 GND의 전위차인 전압 V (Voltage)은 아래와 같은 공식을 같는다.

V=IR

즉, IR이란 전압을 의미하고 IR Drop이란 "전압 강하"를 의미한다.

"전류가 흐르는 동안 전도체(Plane or Conductor)의 두 끝 사이의 전위차"

반도체나 PCB, Package에서 각 칩에 필요한 전압이 있는데 이 전압은 전압원(Source)로 부터 멀어지면 조금씩 임피던스의 저항 성분으로 인해 전압이 다운된다. 이를 전압강하(IR Drop)라고 한다.

 

아래 그림처럼 VCC, GND가 연결 될 때, 전체 Plane의 전류 흐름을 볼 때 Source로 부터 거리가 멀어질 수록 전압 강하가 됨을 볼 수 있다.

(그림 출처:https://pcbee.tistory.com/entry/DC-Resistance%EC%9C%BC%EB%A1%9C-%EC%9D%B8%ED%95%9C-IR-Drop)

DC Resistance으로 인한 IR Drop

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아래 자료에 IR Drop에 대한 설명이 나와 있다.

(출처: https://www.corrosionpedia.com/definition/2203/ir-drop )

What is IR Drop? - Definition from Corrosionpedia

What Does IR Drop Mean?

IR drop refers to a voltage drop that appears at the resistive component of any impedance. IR drop is the electrical potential difference between the two ends of a conducting phase during a current flow. This voltage drop across any resistance is the product of current (I) passing through resistance and resistance value (R).

IR drop has a great influence on electrochemical measurements, and their effects should be considered during the interpretation of electrochemical data.

IR drop is also known as ohmic potential drop in electrochemistry.

 

IR Drop 이란?

IR drop은 모든 임피던스 저항 성분에서 나타나는 "전압 강하"이다.

IR drop은 전류가 흐르는 동안의 Conducting Phase(전도 상)의 두 지점의 잠재적 전위차 이다. 모든 저항에 걸친 이 "전압 강하"는 저항을 통과하는 전류(I)와 저항(R)의 곱이다. (I x R)

IR drop은 전기 화학적으로 측정에 큰 영향을 미치므로, 데이터를 해석할 때 영향력을 고려해야 한다.

IR drop은 또한 전기 화학분야에서 "(Ohmic potential drop) 옴 포텐셜 드롭"으로도 불린다.

 

Corrosionpedia Explains IR Drop

IR drop is a potential drop due to solution resistance. It is the difference in potential required to move ions through the solution. IR drop results from the electric current flow in ionic electrolytes like dilute acids, saltwater, etc.

IR drop (ohmic drop) is an unwanted quality and it must be removed to obtain an accurate potential measurement.

IR drop has produced some unwanted results in measurements. For example, in cyclic voltammetry, IR drop primarily causes a shift in peak potential, a decrease in the magnitude of current, and an increase in peak separation. These effects will become more prominent as the scan rate is enhanced following the increase of current.

IR drop depends on the following factors:

• The current and potential distribution in the electrolyte (changing the size or shape of the working electrode will change the shape of the equipotential lines.)
• The position of the reference electrode with respect to the working electrode.
• The conductivity of the electrolyte solution (the lower the conductivity of the electrolyte, the higher the IR drop.)

The following measures will be needed to minimize the IR drop:

• Using a three-electrode system.
• Adding a high concentration of fully dissociated electrolytes to the solution.
• Placing the reference electrode tip within close proximity of the working electrode surface.
• Using low scan rates that will minimize the current.
• Decreasing the electrode surface area.

 

IR Drop에 대한 설명

IR drop은 저항에 의한 잠재적 강하이다.

이 전위 차이는 이온(ion)을 움직이기 위한 잠재적인 힘 이다. IR Drop은 묽은 산(dilute acid), 염수(saltwater)등과 같은 이온 전해질(ionic electrolytes) 내의 전류의 흐름으로부터 발생한다.

 

IR drop (ohmic drop)은 원치않는 품질을 만들며, 정확한 전위 측정을 얻기 위해 반드시 해당 성분은 제거해야 한다.

 

IR drop은 측정에서 가끔 원치않는 결과를 만들어 내는데, 예를 들어 순환 전압전류법(cyclic voltammetry)에서 IR Drop은 주로 피크 전위 이동(shift in peak potential), 전류크기 감소, 피크 분리(peak separation) 증가를 일으 킨다.

이는 전류가 증가함에 따라 점점 두드러 진다.

 

IR Drop은 아래와 같은 요소에 영향을 받는데:

• The current and potential distribution in the electrolyte (changing the size or shape of the working electrode will change the shape of the equipotential lines.)
• 전해질 내 전류 및 전위 분포 (전극의 모양이나 크기에 따라 equipotential line가 바뀜

  

  equipotential line

• The position of the reference electrode with respect to the working electrode.
• Reference 및 Working 전극의 위치
• 전해 물질의 전도도 (전도도 낮은 전해질 일 수록 IR drop 높아짐)

IR Drop을 최소화 시키기 위한 조치:

• 3전극(three-electrode) 시스템 사용
• 고농도의 완전히 분리된 전해질 첨가
• 기준전극팁(Reference Electrode tip)을 작업전극표면(Working electrode surface)에 근접하게 배치
• 전류 흐름을 최소화하도록 낮은 스캔 적용
• 전극 표면적(electrode surface area) 감소 시키기

 

 

Allegro PCB에서 IR Drop 시뮬레이션 하기

https://ansan-survivor.tistory.com/1032

[PCB Editor] <Vision Manager> OrCAD / Allegro PCB 비전매니저 IR Drop 시뮬레이션 시각적 분석