고속 PCB:종합 안내서

의심할 여지 없이 대부분의 일반 엔지니어링 프로젝트는 표준 PCB 설계를 사용합니다. 또한 기존 PCB가 모든 작업에 작동할 수는 없습니다. 따라서 고급 응용 프로그램을 처리하는 경우 고속 PCB가 필요합니다.

그러나 고속 PCB를 설계하는 것은 까다로울 수 있습니다. 신호 무결성, 반사 및 누화와 같은 세부 사항에 주의를 기울여야 합니다. 이러한 용어에 익숙하지 않은 경우 이 도움말을 참조하세요.

이 기사에서는 고속 PCB와 설계 규칙에 대한 모든 것을 배울 것입니다. 고주파 PCB와도 비교하겠습니다.

자, 시작하겠습니다.

고속 PCB란 무엇입니까?

고속 시스템

고속 PCB는 고속 신호를 사용하여 구성 요소 간에 데이터를 전송하는 장치입니다. 신호는 목표에 도달할 때까지 보드의 구리 트레이스를 따라 이동합니다. 또한 신호는 아날로그 또는 디지털일 수 있습니다.

그러나 고속 보드와 표준 보드 사이에는 약간의 차이만 있습니다. 그러나 먼저 이것을 알아야 합니다. 시스템을 "고속"으로 분류하는 데 사용하는 것은 시스템의 신호 에지 속도입니다. 따라서 빠르면 고속 PCB입니다. 따라서 시스템의 신호 에지 속도는 표준 PCB에서 고속을 분리합니다.

또한 신호 무결성이 높은 모든 PCB를 고속 PCB로 간주합니다. 고속 설계를 일반 설계와 구별하는 데 도움이 되는 다른 지표는 고속 PCB에 무선 네트워킹을 위한 RF 프런트 엔드가 있다는 것입니다.

또한 대부분의 고속 설계는 상호 연결된 설계, PCB 스택업 설계 및 라우팅에 중점을 둡니다. 따라서 처음 두 영역에서 문제가 해결되면 세 번째 영역은 번거롭지 않을 것입니다.

고속 PCB 애플리케이션

다중 PCB

고속 PCB는 거의 모든 애플리케이션에서 작동합니다. 다음은 고속 PCB 사용을 지원하는 몇 가지 응용 프로그램입니다.

• 네트워크 통신 시스템에서 고속 PCB를 사용할 수 있습니다. 여기서 주요 목적은 신호 무결성 검증입니다.
• 고속 PCB는 고속 디지털 테스트 보드를 생성할 수 있습니다. 이 보드는 RF 신호 롤오프를 포함한 다양한 신호를 테스트할 수 있습니다.
• 고속 PCB는 또한 대용량 및 짧은 출시 시간으로 강력한 소비자 전자 제품을 만들 수 있습니다.
• 고속 PCB는 임피던스 제어 요구 사항이 높은 무선 회로도 생성할 수 있습니다.
• 또한 이 보드는 고속 작업이 필요한 의료 장비에서도 작동합니다.

고속 PCB를 사용하는 기타 제품은 다음과 같습니다.

• 라우터
• 고속 데이터 채널
• 서버
• 파워 앰프
• 저장 영역 네트워크
• 트랜시버 모듈

고속 PCB 설계 규칙 및 과제

인쇄 회로 기판

다른 모든 PCB 설계 프로세스와 마찬가지로 고속 PCB에는 설계 방법을 정의하는 규칙이 있습니다. 몇 가지 규칙을 자세히 살펴보는 동안 가능한 디자인 문제도 검토할 것입니다.

임피던스

높은 PCB 레이아웃을 설계할 때 두 가지 임피던스 값을 고려해야 합니다. 이러한 임피던스 값에는 단일 종단 임피던스 Zo 및 차동 임피던스 Zdiff가 포함됩니다.

병렬 및 직렬 인터페이스 모두에 대한 공통 임피던스 값입니다. 또한 고속 PCB를 설계할 때 올바른 임피던스를 고수하는 것이 필수적입니다. 그렇지 않으면 PCB 트랙에 신호 반사가 생깁니다.

그게 다가 아닙니다. 잘못된 임피던스를 사용하면 신호 품질 손실, 낮은 작동 주파수 및 견딜 수 없는 EMI가 발생합니다.

드물지만 고려해야 할 기타 임피던스 유형은 다음과 같습니다.

• 공통 ZCM
• 짝수 모드 Zoe
• 그리고 오드 모드 동물원

접지

대부분의 고속 PCB 설계의 경우 한 레이어에서 모든 인터페이스를 추적하는 것은 불가능합니다. 따라서 트레이스를 여러 레이어로 전송하려면 비아의 도움이 필요합니다. 그러나 이 프로세스를 관리하는 특정 규칙이 있습니다.

• 디자인은 모든 레이어, 특히 신호 비아 근처에서 동일한 GND 폴리곤 전위를 가져야 합니다. 우리는 이러한 GND 비아를 스티칭 비아라고 부르며 가능한 한 GND 폴리곤에 가까워야 합니다. 또한 이 규칙을 고수하면 모든 고속 트레이스가 동일한 GND 참조를 갖도록 합니다.

• 비아를 디자인할 때 주의하십시오. 잘못된 디자인은 보드에 임피던스 문제를 일으킬 것입니다. 그러나 모든 비아의 직경이 올바른지 확인하면 이를 방지할 수 있습니다.

• 고속 신호 라우팅에 비아를 사용하는 것은 까다로울 수 있습니다. 따라서 높은 전류 밀도와 과열을 피하기 위해 비아 사이에 충분한 공간을 배치해야 합니다.

크로스토크

누화는 통신 트랙을 통해 신호를 전송할 때 생성되는 원치 않는 효과입니다. 이러한 원치 않는 효과는 일반적으로 인접 트랙에 발생하며 종종 신호 변경을 유발합니다.

또한, 크로스토크는 일반적으로 트랙이 서로 너무 가까이 달릴 때 발생합니다. 이 경우 트랙 사이에 최소 3W의 공간을 남겨두면 혼선을 줄일 수 있습니다.

차동 쌍의 경우 5W 규칙을 사용하여 트랙 간격을 적절하게 조정합니다. 또한 보드에 주기적 신호를 전송하는 차동 쌍이 필요한 경우 다른 차동 쌍과 최소 8W 거리를 유지하는 것이 좋습니다.

또한 비동기 신호가 있는 트랙과 고속 신호 트랙 사이에는 충분한 거리가 있어야 합니다. 또한 인접 보드의 트랙에 수직으로 트랙을 라우팅하는 다층 보드의 누화를 최소화할 수 있습니다.

구성요소 위치

부품이 있는 PCB

구성 요소 위치는 고속 PCB 설계에 필수적입니다. 설계를 시작하기 전에 구성 요소를 배치할 위치를 계획하십시오.

이상적으로는 아날로그 구성요소(있는 경우)에 대해 별도의 GND 폴리곤을 배치하고 디지털 트레이스 및 구성요소로부터 멀리 유지해야 합니다. 그렇게 하면 EMI 문제를 피할 수 있습니다.

또한 고속 구성 요소에는 매우 긴 추적이 필요하지 않습니다. 따라서 길이 조정을 위한 충분한 공간을 확보하여 간섭 소스에 가까이 있지 않도록 하십시오.

또한 보드 가장자리 근처에 고속 구성 요소를 배치하지 않아야 합니다. 신호 품질에 부정적인 영향을 미칩니다. 대신 이러한 구성 요소를 중앙에 배치할 수 있습니다.

궤적 모양

다양한 트랙 모양

고속 트랙은 둥글고 매끄러운 모서리가 있어야 합니다. 또한 급격한 회전은 피해야 합니다. 그러나 최상의 트랙 모양을 얻으려면 상당한 시간이 걸릴 수 있습니다.

최적의 트랙 모양을 얻고 임피던스 변화를 피하는 가장 좋은 방법은 트랙을 45도 각도로 구부리는 것입니다.

고속 PCB 설계의 3대 문제

고속 PCB는 해결하지 않으면 회로를 무용지물로 만들 수 있는 많은 문제가 있습니다. 그리고 모든 다양한 문제 중에서 피해야 할 세 가지 주요 문제를 나열했습니다. 이제 이 세 가지에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

타이밍

특히 다른 신호와 비교하여 신호가 올바르게 전송되지 않으면 보드에 타이밍 문제가 있습니다. 시계는 이러한 모든 신호를 제어하므로 타이밍이 좋지 않은 경우 수신되는 데이터는 손상된 데이터뿐입니다.

솔루션:두 개의 결합된 추적 길이를 일치시켜 이 문제를 해결할 수 있습니다. 추적을 클록 속도와 동기화하고 동시에 전송합니다.

소음

노이즈는 전송 중 신호에 영향을 미치는 모든 형태의 간섭입니다. 모든 PCB에는 약간의 노이즈가 있지만 높은 노이즈 레벨은 데이터 손상을 일으킬 수 있습니다. 따라서 이를 문제로 만드는 것은 디자인에서 피해야 합니다.

솔루션:트레이스 사이에 충분한 거리를 유지하여 노이즈에 덜 민감하게 만듭니다. 적절한 거리를 두는 것도 PCB의 소음 수준을 줄여줍니다.

무결성

신호가 전송 후 정상적으로 보이지 않으면 무결성이 손상된 것입니다. 이러한 상황은 일반적으로 전송 중 신호 무결성에 영향을 줄 수 있는 간섭의 결과입니다.

솔루션:수신기와 송신기 사이에 적절한 임피던스를 사용하면 신호의 무결성과 품질을 향상시킬 수 있습니다. 또한 신호의 노이즈 감도를 감소시킵니다.

고속 PCB 설계 기술

PCB 디자인

다음은 고속 PCB를 설계하기 전에 필요한 몇 가지 기술입니다.

임피던스 제어로 추적을 라우팅하는 방법

블루 트레이스가 있는 PCB

레이어 스택 및 트레이스 너비를 계산하는 방법을 이해해야 합니다. 이러한 계산의 결과는 필수 임피던스 값을 제공합니다. 잘못된 임피던스 값은 신호에 부정적인 영향을 미치고 데이터 손상으로 이어집니다.

루프 영역 최소화

고속 신호는 EMI/EMC 문제에 매우 취약합니다. 그러나 간단한 기본 규칙을 따르면 이러한 문제의 영향을 줄일 수 있습니다. 이러한 규칙에는 루프 영역 감소, 연속 접지 평면 및 많은 스티칭 비아 사용, 트레이스 리턴 경로 최적화가 포함됩니다.

고속 라우팅 기술

고속 추적을 라우팅할 때 고려해야 할 사항이 많이 있습니다. 먼저 접지면을 자르고 추적을 짧게 유지하는 방법을 알아야 합니다. 또한 간섭으로부터 트레이스를 보호하고 누화를 방지하기 위해 디지털 라인을 간격을 띄워야 합니다.

고급 디자인 소프트웨어 사용

고속 PCB를 설계하려면 CAD 소프트웨어의 복잡한 기능이 많이 필요합니다. 그리고 이러한 기능을 처리하는 데 필요한 기술이 필요합니다. 그렇게 하면 끔찍한 고속 회로도를 설계하는 것을 피할 수 있습니다.

고속 PCB 대 고주파 PCB

인쇄 회로 기판

고속과 고주파는 정의가 다르지만 기판은 본질적으로 동일합니다. 둘 다 변조된 신호의 반송파로 사인파를 사용합니다.

그러나 약간의 차이가 있습니다. 예를 들어 전압이 단기간에 증감할 때 고속 회로를 사용합니다. 동시에 단락 주기가 있는 고주파 기판을 사용합니다.

차이점은 별도의 보드로 설정하기에는 그렇게 뚜렷하지 않습니다. 그들은 심지어 동일한 기본 재료를 사용합니다. 신호 무결성 또는 회로를 유지하는 데 집중해야 합니다.

반올림

하이테크 PCB

고속 PCB를 설계할 때 주의하지 않으면 많은 일이 잘못될 수 있습니다. 일반 PCB와 달리 적절한 고속 회로도를 개발할 때 많은 시간과 주의가 필요합니다.

또한, 트레이스를 적절하게 라우팅하고 임피던스를 측정하는 방법을 아는 것과 같이 설계를 하기 전에 특정 기술이 필요합니다. 또한 제조업체를 복잡하게 만드는 것을 방지하기 위해 구성 요소 배치를 관찰해야 합니다.

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