고속 PCB 설계 기술 익히기
키워드: 익스프레스 PCB, 고속 PCB
매년 신뢰할 수 있는 고속 PCB에 대한 수요와 고속 디지털 회로의 필요성이 증가하고 있습니다. 많은 다른 부품, 전원 공급 장치 및 마이크로프로세서와 함께 디지털 PCB 회로는 콤팩트하게 밀집되어 있습니다. 이러한 부품은 1GHz 이상의 주파수에서 쉽게 작동합니다. 이 기사는 이러한 문제와 PCB 설계 시 문제를 방지하기 위해 따라야 할 방법에 초점을 맞춥니다.
고속 PCB의 응용 분야
스마트폰, 컴퓨터 등과 같은 연산 장치의 핵심은 고속 PCB입니다. 이러한 장치는 복잡한 특성을 가지고 있습니다. 따라서 익스프레스 PCB는 매우 안정적이고 견고합니다. IoT, 항공우주 및 통신 분야에서 고속 회로의 응용 분야가 증가하고 있습니다. 고속 회로용 보드 레이아웃을 설계할 때는 애플리케이션의 중요성을 염두에 두고 따라야 할 고려 사항을 이해하는 것이 필수적입니다.
고속 PCB 설계 시 고려 사항
고속 PCB를 설계할 때 저전력 환경에서 고속 작동을 달성하기 위한 기본 기술로 다음 사항이 고려됩니다.
- 플로어 플래닝에서 모든 부품 패키징
- 전원 네트워크의 온보드 노이즈 최소화
- 최적화 및 클록 선택
- 신호 반사 감소
- 신호 트레이스 간 누화 최소화
- 적절한 라인 종단 및 임피던스 매칭
- 환경으로부터의 자기 결합 및 EMI 최적화
고속 PCB용 보드 재료 선택
재료의 유전 손실 탄젠트와 유전 상수가 보드 재료 선택을 결정합니다. 전자기파가 통과할 때 재료에서 손실되는 에너지는 손실 탄젠트입니다. 손실 탄젠트가 높을수록 손실되는 에너지가 더 많습니다.
- 접지면 설계
기생 capacitance 최소화, 방열, 차폐 및 공통 기준 전압 제공에 있어 PCB의 접지면이 도움이 됩니다. 저임피던스 경로에서 회로의 전류는 더 낮아지는 경향이 있습니다. 매우 높은 주파수에서 접지면에 빠르게 상승하는 신호 에지가 결합됩니다. 이로 인해 접지면에 전류 스파이크가 생성됩니다. 이 전류 스파이는 PCB의 아날로그 성능을 저하시킵니다. 입력 기생 capacitance가 증가함에 따라 고속 연산 증폭기는 그 아래 추가 접지면의 존재에 의해 영향을 받습니다. 이러한 조건을 피하기 위해 접지면, 아날로그 장치 및 디지털 장치 사이에 적절한 거리가 유지됩니다.
- 마이크로스트립 설계
단일 접지면 위의 신호 트레이스 동작은 마이크로스트립 라인 레이아웃과 유사하며, 두 접지면 사이의 신호 트레이스는 스트립라인 레이아웃과 유사하게 작동합니다.
고속 PCB용 플로어 플래닝
기생 capacitance, 기생 저항 및 기생 인덕턴스를 통해 리드 및 연결 라인을 통과하면서, 플로어 패킹 및 플래닝은 통신 지연, 노이즈, 주파수 응답 및 에지 속도에 상당한 영향을 미칩니다. 회로도 설계와 함께 보드 수준 설계, 패키징 설계 및 실리콘 설계가 수행되어야 합니다. 물리적 배치 전에 소프트웨어 시뮬레이션을 사용하여 회로의 플로어 플랜을 수립할 수 있습니다. 설계자는 처음부터 부품 위치 및 신호 라우팅에 관한 사양을 지정하면 설계가 의도한 방식으로 작동할 것임을 보장할 수 있습니다. 이는 재작업 시간을 줄이고 비용을 낮춥니다. 따라서 제품의 주기 시간이 최소화됩니다.
고속 PCB용 전원 공급 장치 및 클록 설계
PCB 회로에서 보드 내 저주파 노이즈의 주요 원인은 전원 공급 장치입니다. 병렬 커패시터를 사용하여 전원 플레인을 접지 플레인에 연결함으로써 고속 시스템에서 전원 무결성을 보장할 수 있습니다. 다양한 값의 병렬 커패시터는 넓은 주파수 대역에서 낮은 AC 임피던스를 보장합니다. 아날로그 및 디지털 장치의 경우 노이즈 결합을 줄이기 위해 별도의 전원 플레인을 사용해야 합니다. PCB 레이아웃의 모든 신호가 적시에 도달하도록 하려면 클록 신호와 관련하여 클록 선택이 중요합니다.
고속 PCB를 위한 EMI 최적화
주변의 다른 전자 장치로부터의 상호 결합 또는 자체 결합은 장치에 영향을 미치는 EMI를 초래할 수 있습니다. 특정 기술을 사용하는 고속 회로에서는 EMI를 최적화할 수 있습니다.
- 매칭 및 라우팅
종단 처리되지 않거나 부정합된 신호 트레이스는 반사를 유발할 수 있습니다. 이로 인해 신호가 소스로 다시 링잉(ringing)됩니다. 이는 일종의 자체 EMI입니다. 적절한 매칭은 신호 링잉을 제거합니다. 적절한 라우팅은 자체 결합 EMI를 줄입니다.
- EMI 필터 및 차폐
PCB에서 차폐는 길게 늘인 접지 플레인을 사용하여 수행됩니다. 접지 플레인의 전도성 표면에 대한 표피 효과는 회로에 신호 간섭을 일으키는 외부 EMI를 감소시킵니다. 주변 EMI 노이즈를 필터링한 후 이를 접지에 결합하기 위해 EMI 필터가 구현됩니다. 간단한 디커플링 커패시터 구성을 EMI 필터로 사용할 수 있습니다.
고속 PCB를 위한 신호 무결성
PCB에는 다양한 주파수의 아날로그 및 디지털 신호가 존재합니다. 이러한 신호는 결합 및 노이즈에 민감합니다. 신호 무결성을 보장하려면 매칭, 임피던스, 차폐 및 라우팅에 적절한 주의를 기울여야 합니다.
- 라우팅
라우팅 중에 준수해야 할 특정 지침은 다음과 같습니다.
- 고주파 클록 트레이스는 가능한 한 직선으로 라우팅합니다. 불연속성으로 인한 신호 손실을 방지하기 위해 굽힘이 필요한 경우 직각 굽힘보다는 아크 굽힘이 선호됩니다.
- 클록 신호 종단 처리. 이는 반사를 줄여줍니다.
- 민감한 신호 트레이스는 높은 절연이 필요합니다. 따라서 별도의 레이어에 라우팅해야 합니다.
- 인덕턴스를 증가시키고 임피던스 부정합을 유발할 수 있으므로 여러 개의 비아는 피합니다.
- 임피던스 매칭
수신기와 송신기 간의 임피던스 매칭은 신호 무결성에 직접적인 영향을 미칩니다. 제대로 매칭되지 않은 라인은 신호 손실 및 신호 반사를 발생시킵니다. 부하의 임피던스와 트레이스의 임피던스는 소스의 임피던스와 같아야 합니다. 전송 라인의 적절한 종단 처리는 신호 무결성과 매칭을 보장합니다.
결론
고속 PCB 설계에서는 물리적 레이아웃 프로세스를 시작하기 전에 모든 것을 계획하는 것이 필수적입니다. 좋은 레이아웃의 기초는 좋은 회로도입니다. PCB 설계 중 임피던스 매칭, 라우팅, 전원 공급 장치 위치, 신호 무결성과 같은 요소는 고려해야 할 중요한 사항입니다. 효율적인 구현과 설계는 PCB의 견고성과 신뢰성을 향상시킬 것입니다.