PCB 전자기 문제 극복

전자기 문제는 지속적으로 PCB 설계자를 괴롭히고 있습니다. 시스템 설계 엔지니어는 항상 전자기 호환성 및 간섭을 모니터링해야 합니다. 불행히도 작은 설계 문제라도 전자기적 문제를 일으킬 수 있습니다. 이러한 문제는 보드 디자인이 축소되고 고객이 더 빠른 속도를 요구하면서 그 어느 때보다 더 일반적입니다.

두 가지 주요 문제는 전자기 호환성과 전자기 간섭입니다.

전자기 적합성(EMC)은 일반적으로 잘못된 설계를 통해 전자기 에너지의 생성, 전파 및 수신을 포함합니다. 전자기 간섭(EMI)은 EMC의 원치 않는 손상 효과와 환경 소스의 전자기 간섭을 나타냅니다. EMI가 너무 많으면 결함이 있거나 제품이 손상될 수 있습니다. 모든 PCB 설계자는 EMI의 양과 영향을 최소화하기 위해 EMC 설계 규칙을 따라야 합니다.

다행스럽게도 적절한 EMC 설계는 회로 기판의 EMI를 줄일 수 있습니다.

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전자파 간섭을 피하는 것이 중요한 이유

전자기 간섭의 원인은 우리 주변에 있으며 여러 가지 방법으로 분류할 수 있습니다.

출처: 인간이 만든 EMI는 전자 회로에서 발생합니다. 반면에 자연적으로 발생하는 EMI는 우주 소음 및 번개와 같은 환경적 요인으로 인해 발생할 수 있습니다.

기간: 연속 간섭은 일정한 신호를 방출하는 EMI 소스로, 가장 자주 배경 잡음으로 나타납니다. 임펄스 간섭은 일반적으로 스위칭 시스템, 번개 및 기타 일정하지 않은 소스로 인해 간헐적으로 발생합니다.

대역폭: 라디오에서 사용되는 것과 같은 협대역 신호는 발진기 및 송신기로부터 간섭을 받을 수 있지만 이러한 소스는 스펙트럼의 특정 부분에만 간헐적으로 영향을 미칩니다. 광대역 간섭은 TV와 같은 높은 데이터 신호에 영향을 미치며 아크 용접기 및 태양열 노이즈를 비롯한 다양한 소스에서 발생할 수 있습니다.

인간이 만든 것이든 환경적인 것이든 EMI는 비용이 많이 들고 위험할 수 있습니다. 통신 채널과 민감한 장치를 방해할 수 있습니다. EMI는 무선 장치 사용이 증가하는 의료 분야에서 주목할만한 문제입니다. 불행히도 EMI는 인공호흡기, ECG 모니터, 심장 모니터 및 제세동기와 같은 의료 장비의 기능에 영향을 줄 수 있습니다. 다른 산업에서 EMI는 센서와 내비게이션 시스템을 방해할 수 있습니다. 모든 경우의 결과는 사용자의 건강과 안전을 책임질 수 있는 장비의 장애입니다.

그러나 가장 일반적인 EMI 소스이자 설계자에게 가장 문제가 되는 소스는 내부입니다. 불량한 PCB 설계로 인해 호환되지 않는 신호가 보드에서 서로 간섭할 수 있습니다. 이 간섭으로 인해 궁극적으로 보드가 고장날 수 있습니다. 설계자는 간섭을 최소화하고 간섭이 발생하지 않도록 모든 신호 방출이 호환되는지 확인해야 합니다.

전자파 문제 예방 및 해결을 위한 EMC 설계 원칙

회로 기판 설계자는 EMI를 최소로 유지하기 위해 전자기 호환성 설계 원칙을 따라야 합니다. EMC 문제의 기본 원인은 상당히 일반적이며 대부분 트레이스, 회로, 비아, PCB 코일 및 기타 요소 간에 간섭을 일으키는 설계 결함과 관련이 있습니다.

이러한 필수 설계 원칙은 인쇄 회로 기판 설계에서 이러한 전자기 문제를 방지하고 수정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

1. 지상 평면

PCB의 접지면을 설계하는 것은 가장 중요한 단계이며 EMI를 줄이는 데 매우 중요합니다. 모든 회로가 작동하려면 접지가 필요하기 때문에 접지면은 EMI에 대한 첫 번째 방어선입니다. EMI를 줄이기 위한 접지 설계에 대한 몇 가지 일반적인 모범 사례는 다음과 같습니다.

지면적 최대화: PCB 내에서 가능한 한 접지 면적을 늘리십시오. 신호는 더 많은 영역으로 더 쉽게 분산되어 방출, 혼선 및 노이즈를 줄일 수 있습니다. 접지면이 너무 작으면 다른 레이어를 추가하고 다층 PCB를 생성할 수 있습니다. 이 설계 솔루션은 고속 추적 처리를 위한 더 많은 옵션을 제공합니다.

단단한 평면 사용: 특히 다층 PCB의 경우 견고한 접지면이 이상적인 옵션입니다. 구리 도둑질 및 해시 접지면은 일반적으로 더 높은 임피던스 수준을 초래합니다. 반면에 단단한 접지면은 더 낮은 수준을 제공합니다.

각 구성요소 연결: 모든 부품을 접지면 또는 지점에 연결합니다. 접지면은 보드 설계를 위한 중화제 역할을 하며 플로팅 구성 요소는 이를 완전히 활용하지 못합니다.

분할 평면에 주의: 고도로 복잡한 PCB 설계에는 종종 자체 접지면이 있어야 하는 수많은 조정 전압이 포함됩니다. 그러나 접지면이 너무 많으면 제조 비용이 증가합니다. 이 문제는 일반적으로 단일 레이어에 여러 접지 섹션을 생성하는 분할 평면을 사용하여 우회합니다. 그러나 설계자는 항상 분할 평면을 신중하게 사용해야 합니다. 분할 평면을 사용할 충분한 이유가 있는지 확인하고 분할 평면을 사용하는 경우 단일 지점에서만 연결되어 있는지 확인하십시오. 분할 접지 PCB의 다중 접지 연결은 루프를 생성하여 EMI를 방출하는 안테나를 생성할 수 있습니다.

바이패스 또는 디커플링 커패시터 연결: 설계에 바이패스 또는 디커플링 커패시터가 포함된 경우 접지면에 연결합니다. 이 동작은 루프의 크기를 줄여 반환 전류를 줄이는 데 도움이 됩니다.

신호 길이 최소화: 신호가 소스를 오가는 데 걸리는 시간이 호환되어야 하므로 트레이스의 길이가 중요합니다. 그렇지 않으면 EMI를 방출할 수 있습니다. 추적 길이는 가능한 한 짧고 길이는 거의 같습니다.

2. 트레이스 레이아웃

트레이스는 보드 디자인에 특히 중요합니다. 적절한 추적 사용은 적절하게 전파된 전류를 보장합니다. 그러나 최고의 EMC 설계 규칙에 따라 트레이스가 정렬되지 않으면 많은 문제가 발생할 수 있습니다.

트레이스는 기본적으로 회로가 활성 상태인 동안 흐르는 전자를 포함하는 전도성 경로입니다. 따라서 이러한 트레이스는 방사 안테나를 만드는 것에서 한 번의 실수입니다. 단순한 굽힘이나 교차로 PCB 전자기 간섭이 발생할 수 있습니다.

PCB 설계의 트레이스 레이아웃에 대한 몇 가지 최상의 규칙은 다음과 같습니다.

직각 피하기: 비아, 트레이스 및 기타 부품에 대해 45도에서 90도의 각도를 피하십시오. 트레이스가 45도 이상의 각도에 도달하면 커패시턴스가 증가합니다. 결과적으로 특성 임피던스가 변경되어 반사가 발생합니다. 이 반사로 인해 EMI가 발생합니다. 코너를 돌기 위해 필요한 트레이스를 반올림하거나 45도 이하의 두 개 이상의 각도로 라우팅하면 이 문제를 피할 수 있습니다.

신호를 별도로 유지: 고속 트레이스를 저속 신호와 분리하고 아날로그 신호를 디지털 신호와 분리합니다. 근접하면 간섭이 발생할 수 있습니다.

반환 경로 단축: 반환 전류 경로를 가능한 한 짧게 유지하고 저항이 가장 적은 경로를 따라 라우팅합니다. 반환 경로는 전송 추적과 거의 같거나 더 짧아야 합니다.

기호 간격: 병렬로 실행되는 2개의 고속 신호는 누화를 통해 EMI를 생성하며, 여기서 하나의 트레이스는 "공격자"이고 다른 하나는 "피해자"입니다. 공격자는 유도성 및 용량성 결합을 통해 희생자 트레이스에 영향을 미치고 희생자 트레이스에 순방향 및 역방향 전류를 생성합니다. 트레이스 사이에 최소 간격을 유지하여 혼선을 최소화할 수 있습니다. 일반적으로 트레이스를 트레이스 너비의 두 배만큼 분리합니다. 예를 들어 트레이스가 너비가 5,000인치인 경우 평행한 두 트레이스 사이에 최소 1/10,000인치 이상의 거리를 유지하세요.

비아를 주의해서 사용: 비아는 라우팅할 때 보드의 여러 레이어를 활용할 수 있게 해주기 때문에 PCB 설계에 필요합니다. 그러나 디자이너는 사용할 때 주의해야 합니다. 비아는 믹스에 자체 인덕턴스 및 커패시턴스 효과를 추가하여 특성 임피던스의 변화로 인해 잠재적으로 반사를 초래할 수 있습니다. 비아는 또한 일치해야 하는 트레이스 길이를 증가시킵니다. 가능하면 차동 트레이스에 비아를 사용하지 마십시오. 그러나 이것이 불가능한 경우 지연을 보상하기 위해 두 트레이스 모두에서 사용합니다.

3. 구성요소 배열

전자 부품은 전자 회로의 빌딩 블록입니다. 그러나 부적절하게 배열하면 여러 EMI 문제가 발생할 수 있습니다. PCB를 설계할 때 각 부품의 EMI 영향을 염두에 두십시오. PCB 설계의 부품 레이아웃에 대한 몇 가지 모범 사례는 다음과 같습니다.

별도의 아날로그 및 디지털 부품: 트레이스의 경우와 마찬가지로 항상 아날로그 및 디지털 회로와 구성요소를 분리하십시오. 아날로그 및 디지털 회로를 근접하게 배치하면 무엇보다도 혼선이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하려면 차폐, 다중 레이어 및 별도의 접지를 사용하여 아날로그 및 디지털 신호를 가능한 한 서로 멀리 배치하십시오. 일반적으로 아날로그 및 디지털 신호를 모두 별도의 접지에 유지하는 것이 가장 좋습니다.

별도의 아날로그 및 고속 부품: 아날로그 회로는 높은 전류를 전달하므로 고속 트레이스와 스위칭 신호에 문제를 일으킬 수 있습니다. 이것들을 서로 멀리하고 접지 신호로 아날로그 회로를 보호하십시오. 다층 PCB에서 아날로그 회로와 스위칭 또는 고속 신호 사이에 접지면이 존재하도록 아날로그 트레이스를 라우팅합니다.

고속 구성요소에 주의: 구성 요소가 더 빠르고 작을수록 생성할 가능성이 높은 EMI 양이 증가합니다. 차폐 및 필터링을 통해 이러한 자연스러운 EMI를 방지할 수 있지만 보드 설계에서 이러한 구성 요소를 다른 구성 요소와 분리하는 것도 좋은 생각입니다. 취해야 할 또 다른 조치는 고속 신호 및 클록을 가능한 한 짧게 유지하고 접지면에 인접하게 유지하는 것입니다. 이러한 조치는 누화, 소음 및 방사선 수준을 확인하고 허용 수준 한도 내로 유지하는 데 도움이 됩니다.

4. EMI 차폐

일부 구성 요소는 어떤 설계 규칙을 따르든 상관없이 EMI를 생성합니다. 특히 소형의 고속 부품이 그렇습니다. 다행히 차폐 및 필터링을 통해 이 EMI의 영향을 최소화할 수 있습니다. 일부 차폐 및 필터링 옵션에는 다음이 포함됩니다.

구성요소 및 보드 차폐: 물리적 실드는 보드의 전체 또는 일부를 캡슐화하는 금속 패키지입니다. 특정 방법은 EMI 소스에 따라 다르지만 목표는 EMI가 보드 회로에 들어가는 것을 방지하는 것입니다. 시스템 내에서 발생하는 EMI의 경우 구성 요소 차폐를 사용하여 EMI를 생성하는 특정 구성 요소를 감쌀 수 있습니다. 따라서 접지에 연결하여 안테나 루프 크기를 줄이고 EMI를 흡수합니다. 다른 실드는 외부 소스의 EMI로부터 보호하기 위해 전체 보드를 둘러쌀 수 있습니다. 예를 들어, 패러데이 케이지는 RF 파장을 차단하도록 설계된 두꺼운 보호 인클로저입니다. 이러한 장치는 일반적으로 금속 또는 전도성 폼으로 만들어집니다.

저역 통과 필터링: 때때로 PCB는 구성 요소에서 고주파 노이즈를 제거하기 위해 저역 통과 필터를 포함할 수 있습니다. 이 필터는 이 부분의 노이즈를 억제하여 전류가 간섭 없이 반환 경로로 계속 흐르도록 합니다.

케이블 차폐: 아날로그 및 디지털 전류를 전달하는 케이블은 가장 많은 양의 EMI 문제를 발생시킵니다. 그들은 기생 커패시턴스와 인덕턴스를 생성하여 이러한 문제를 생성합니다. 이는 고주파 신호에 대한 특정 문제입니다. 다행히도 이러한 케이블을 차폐하고 전면과 후면에서 접지에 연결하면 EMI 간섭을 제거하는 데 도움이 됩니다.

Millennium Circuits Limited의 EMC 설계

기술이 발전하고 전자파 간섭 문제가 증가함에 따라 회사는 미래에 대비하기 위해 리소스에 투자해야 합니다. 전자기 문제는 더욱 발전될 것이며, 가장 최근의 모범 사례를 유지하는 것이 이러한 문제를 피하고 미래의 성공을 위해 회사를 설정하는 가장 좋은 방법입니다. 여기에는 고품질 인쇄 회로 기판 공급업체와 협력 관계가 포함되어야 합니다. 귀하의 공급업체는 귀하에게 오는 모든 PCB 프로젝트를 처리할 수 있도록 귀하의 회사를 태울 것입니다. Millennium Circuits Limited가 귀하의 목표 달성을 도와드릴 수 있습니다.

MCL이라고도 하는 Millennium Circuits Limited는 여기 미국에서 PCB를 생성할 수 있는 업계 최고의 인쇄 회로 기판 공급업체입니다. 우리의 목표는 전문적으로 엔지니어링되고 경쟁력 있는 가격으로 최고의 PCB를 제공하는 것입니다.

비용을 개선하고 예산을 유지하기 위해 해외 제조를 제공할 수 있습니다. 고유한 기판 유형이 필요한 경우 지식이 풍부한 당사의 전문가가 플렉시블 및 세라믹 기판에서 고속 디지털 기판 등에 이르기까지 생각할 수 있는 모든 유형의 인쇄 회로 기판을 달성할 수 있습니다. 원하는 품질의 기판을 얻기 위해 올바른 표면 마감, 비아 및 기능을 찾는 데 도움을 드릴 수 있습니다.

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