데이터 집약적인 애플리케이션에 강력한 상호 연결을 적용하기 위한 5가지 설계 원칙

오늘날 지리 위치 매핑, 무인 항공기(UAV) 비디오 스트리밍, LiDAR(Light-Imaging-Detection-Ranging) 감지, 기타 데이터 집약적인 군사 및 항공 우주 애플리케이션에서 빠른 데이터 속도에 대한 요구는 사실상 무한합니다. 군인들은 즉시 알고 싶어합니다. 흔적이 분명합니까? 이것이 올바른 방향입니까? 비행 경로에 장애물이 있습니까?

실시간으로 답변을 제공하기 위해 임베디드 시스템 및 전자 장치는 고속 프로토콜(10기가비트 이더넷, USB 3.0, InfiniBand)과 고속 버스(VPX, PCI 익스프레스-PCIe). 개발자가 이러한 문제를 해결할 수 있도록 이 간략한 개요에서는 고속을 지원하고 높은 신호 무결성을 유지할 수 있는 강력한 상호 연결을 적용하기 위한 5가지 설계 원칙을 설명합니다.

1. 전체 신호 경로 따르기

프로젝트 시작 시 상호 연결을 마지막 순간에 생각하는 것이 아니라 시스템의 일부로 전체적으로 보는 것이 중요합니다. 모든 연결이 중요합니다. 이는 모든 수준의 전자 패키징이 신호 무결성을 유지하기 위한 상호 연결 기능에 대한 고유한 요구 사항을 부과하기 때문입니다. 각 상호 연결은 6가지 다른 전자 패키징 레벨 각각에서 데이터 속도와 성능을 유지해야 합니다.

• 레벨 1: 기본 회로 요소와 리드 간의 연결입니다.

• 레벨 2: 부품 리드와 집적 회로(IC) 소켓과 같은 인쇄 회로 기판(PCB) 사이의 연결

• 레벨 3: 2개의 회로 기판 사이의 연결, 일반적으로 1피스 카드 에지 커넥터와 2피스 커넥터 및 스태킹 커넥터를 포함하는 기판 간 연결입니다.

• 레벨 4: 일반적으로 와이어와 케이블링을 포함하는 두 하위 어셈블리 사이의 연결 또는 장치가 하우징 내에서 둘 이상의 하위 어셈블리를 필요로 하는 경우 헤더.

• 레벨 5: 서브어셈블리에서 시스템의 입/출력(I/O) 포트로의 연결, 일반적으로 케이블을 사용하거나 직접 연결(예:보드 장착 격벽 커넥터)을 사용하여 서브어셈블리에 연결해야 합니다.

• 레벨 6: 물리적으로 분리된 시스템 간의 연결, 종종 구리 또는 광섬유 케이블을 사용하여 개별 시스템의 I/O 포트를 다른 장치, 주변 장치 및 네트워크 스위치에 연결합니다. 안테나를 사용한 무선 연결도 포함될 수 있습니다.

2. 전기적으로 최적화된 경로를 목표로

신호가 회로나 구성 요소 안팎으로 이동할 때마다 강도가 손실됩니다. 데시벨(dB)로 측정된 "삽입 손실"로 알려진 신호 저하로 인한 결과는 모든 인터커넥트의 전기기계적 특성에 내재된 부작용입니다. 총 삽입 손실은 임피던스 불일치, 도체 손실(신호 라인의 도체로 인한 에너지 손실) 및 유전 손실(유전체 재료 자체로 인한 에너지 손실)을 비롯한 여러 요인의 산물입니다.

삽입 손실을 제거할 수는 없지만 설계자는 신호 무결성에 대한 영향을 최소화하는 재료와 설계를 사용하여 상호 연결을 선택할 수 있습니다. 예를 들어 고속 애플리케이션에서 설계자는 일반적으로 적절한 신호 강도를 보장하기 위해 -1dB 이하의 삽입 손실 등급을 갖는 커넥터를 목표로 합니다. 설계자는 신호 무결성에 영향을 미치는 전송 라인의 다른 요소를 고려하여 주어진 애플리케이션에 대해 허용 가능한 채널 레벨을 결정해야 합니다.

3. 임피던스와 경로 길이가 일치하는지 확인하십시오.

인터커넥트가 회로의 나머지 부분과 다른 전류에 대한 저항이나 리액턴스를 나타내면 임피던스 불연속성 또는 불일치가 발생합니다. 임피던스 불일치는 전송 라인을 따라 이동할 때 신호의 무결성에 영향을 미치는 신호 반사를 생성할 수 있습니다. 신호 반사의 한 형태는 임피던스 불일치로 인해 소스로 다시 반사되는 에너지인 "반사 손실"입니다.

설계자는 구성 요소 자체를 사용자 정의하지 않는 한 일반적으로 커넥터 또는 케이블 내의 임피던스를 변경할 수 없습니다. 따라서 설계 목표는 일반적으로 상호 연결의 임피던스를 기준 환경의 임피던스와 일치시키는 것입니다. 예를 들어, 75Ω 커넥터는 50Ω 커넥터보다 75Ω 시스템에서 전기적으로 더 잘 보이지 않습니다.

임피던스 불연속성을 최소화하는 물리적 구조 또는 유전 물질을 가진 접점, 케이블 및 기타 요소를 선택하는 것은 신호 무결성을 유지하기 위한 첫 번째 단계입니다. 두 번째 단계는 모든 구성 요소 간 전환 영역이 일관성 있게 관리되도록 하는 것입니다. 이러한 영역에는 솔더 조인트, 크림프 및 전선-커넥터 전환 영역이 포함됩니다. 주어진 전송 경로에 대해 허용 가능한 최대값과 최소값을 결정할 수 있지만 목표 주파수 대역에서 –10dB 미만의 반사 손실 값이 일반적인 목표입니다.

경로 길이는 차동 쌍 신호와 같이 상호 연결에 두 개 이상의 병렬 신호 경로가 사용되는 경우에도 중요합니다. 이 경우 전기 경로 길이가 정확하게 일치해야 합니다. 그렇지 않으면 각 신호가 상호 연결을 통해 전파되는 데 걸리는 시간이 달라집니다. 차동 쌍에서 "스큐(skew)"로 알려진 결과적인 전파 지연은 시스템 타이밍에 부정적인 영향을 미치고 삽입 손실, 임피던스 불일치 및 누화를 증가시킵니다.