고속 PCB 설계에 대한 오해와 전략

고속 전자 시스템에 관한 한, 인쇄 회로 기판 설계의 성공은 이론과 실제 모두에서 전자파 적합성(EMC) 시스템의 높은 문제 해결로 직결됩니다. EMC 표준에 도달하기 위해 고속 PCB 설계는 큰 도전에 직면해 있으므로 고속 PCB 설계자는 설계 과정에서 전통적인 설계 철학과 접근 방식을 포기해야 합니다. 이 구절은 주로 실습의 관점에서 고속 PCB 설계 과정에서 오해와 전략을 분석합니다.

고속 PCB 재료의 유전율

지금까지 고속 PCB 설계를 위한 설계 기법은 크게 노이즈 및 지연 PCB 그래프 설계 기법, 임피던스 및 전파 지연 시간 제어 기법 및 PCB 임피던스를 매개변수로 하는 평가 기법의 세 가지가 있으며, 그 중 후자의 두 가지 기법이 있다. PCB 제조의 핵심입니다. 또한 고속 PCB 제조 전송에 대한 많은 기술이 있으며 일반적으로 사용되는 기본 구조는 마이크로 스트립 및 스트립 라인입니다. 고속 PCB 전송 라인의 경우 Z₀ 이것은 임피던스 매개변수이고 t_pd입니다. 즉 전파 지연 시간이 가장 중요한 변수입니다. 실제로 마이크로 스트립의 구조가 스트립 라인의 구조와 다르면 계산 공식도 달라집니다. 그러나 어떤 경우에도 임피던스는 항상 전송선로의 기하학적 구조입니다. 대부분의 상황에서 PCB 재료의 유전율은 주파수, 면적 흡수율, 온도 및 전기적 특성에 영향을 받습니다. 2층 또는 다층 PCB의 경우 유전 상수는 PCB 재료의 수지와 실리콘 비율에 영향을 받습니다.

현재 가장 일반적으로 사용되는 PCB 재료는 FR4입니다. 일반적으로 PCB 재료 공급업체는 프로젝트 기술자가 재료를 사용할 유전 상수 값을 나타냅니다. 실제 적용에서 값 매개변수는 일반적으로 1MHz 상황에서 얻어지지만 고속 상황에서는 그림 1과 같이 유전 상수에 명백한 변화가 있습니다.

그림 1의 세 곡선은 실리콘과 수지의 다른 비율을 나타냅니다. 세 개의 곡선 중 곡선 A가 가장 높고 B가 중간이며 C가 가장 낮습니다. 운영자가 그 차이를 알아차리지 못하면 임피던스 및 전파 지연 시간에 대한 실제 상황과 계산 또는 시뮬레이션 결과 사이에 큰 편차가 발생할 수 있으며, 이는 고속 시스템 신호 무결성 설계에 영향을 미칩니다.

90° 코너 문제

90° 코너는 임피던스 불연속성 및 EMI(Electro-Magnetic Interference) 방사로 이어질 수 있으므로 대부분의 문서에서 PCB 라우팅에서 피해야 합니다. 이론상 90° 모서리의 폭 변화는 비교적 커서 임피던스가 크고 임피던스 불연속성이 심각합니다. 실천의 관점에서 보면 전자기력은 라우팅의 모서리에 모이는 경향이 있고 모서리가 뾰족할수록 더 많은 힘이 모인다. 위의 분석에 따르면 EMI 방사는 90° 모서리에서 가장 돌출됩니다.

그러나 일부 연구자들은 임피던스에 대한 90° 코너의 영향이 10% 이내라는 것을 발견했습니다. 6mil의 라우팅 너비에 대해 키 길이가 되면 THz 범위가 됩니다. 따라서 실제 상황에서 90° 모서리는 확실히 임피던스 불연속성으로 이어질 것이라고 추정할 수 있습니다.

따라서 실제 PCB 라우팅에서는 최소한 GHz 범위 내에서 비용을 들여 90° 코너를 피할 필요가 없습니다.

20-H 원칙

KNG에서 20-H 원리가 등장한 이후로 고속 PCB 설계의 주요 원리로 받아들여졌습니다. 일부 연구원들조차 이 원리가 관련 PCB 층의 주변 전자기 밀도를 약 70%까지 감소시키는 데 도움이 될 수 있음을 나타냅니다. 또한 외부 EMI 방사를 줄이는 데에도 효과적인 역할을 합니다. 그러나 많은 실험이 연구자의 기대를 뒷받침하지 못합니다.

일부 실험에 따르면 2층 PCB의 경우 20-H 원칙이 더 심각한 방사선을 유발하는 반면, 다층 PCB의 경우 내부 중간층에서 20-H 원칙을 사용하면 뚜렷한 개선이 나타나지 않습니다.

커패시턴스 매개변수 필터링

필터링 커패시턴스는 전자 시스템에서 EMC 문제를 해결하는 데 사용되는 테스트된 효과적이고 경제적인 측정입니다. 그러나 고속 전자 시스템은 필터링 커패시턴스의 성능 및 적용 가능한 설계에 대한 새로운 요구 사항을 야기합니다. 필터링 커패시턴스의 단순화된 모듈은 그림 2와 같습니다.

다음 요구 사항을 충족해야 합니다. Z_C S // Z_L (Z_<작은>C =1/2πfC). 일반적인 오해는 Z_C Z_{L보다 작음} , 필터링 커패시턴스의 목적을 달성할 수 있습니다. 사실, 필터링 커패시턴스의 매개변수는 Z_{S 값이 없으면 결정할 수 없습니다.} 및 Z_L 결정됩니다.

그러나 고속 회로에서는 Z_S Z_{L도 아님} 복잡한 값이 필요한 순수한 저항입니다. 한편, Z_C 는 고속 회로에서 순수한 커패시턴스가 아니므로 등가 직렬 저항과 등가 직렬 인덕턴스를 모두 고려해야 합니다. 이 모든 것이 고속 전자 시스템에서 필터링 커패시턴스를 적용하는 데 어려움이 있습니다. 설계자가 이러한 측면을 무시하면 계산 또는 시뮬레이션 결과와 실제 사이에 명백한 차이가 발생합니다.

실리콘 포장

PCB 설계자는 PCB 레이아웃과 PCB의 구성 요소 간의 상호 연결에 가장 많은 관심을 기울이고 구성 요소 패키징의 중요성을 무시하는 경향이 있습니다. 실제로 이것은 고속 PCB 설계에 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 실리콘 패키징은 연결 라인과 리드를 통과하는 기생 인덕턴스, 기생 저항 및 기생 커패시턴스를 통해 실리콘의 성능에 영향을 미칩니다. 이러한 매개변수는 노이즈, 통신 지연, 에지 속도 및 주파수 응답을 생성합니다. 다른 패키징의 기생 매개변수는 아마도 많이 다를 수 있습니다. 동일한 회로와 다른 패키징을 가진 실리콘의 경우 성능이 다른 특성을 보여줍니다.

실제로 고속 전자 시스템의 경우 실리콘 설계, 패키징 설계 및 기판 수준 설계는 서로 독립적이지 않습니다. 실리콘에 대한 설계 흐름을 위해서는 PCB에 따라 적합한 패키지를 선택해야 합니다. 실리콘 디자인의 전체 레이아웃은 기술과 보드 레벨 요소 모두에 영향을 받습니다. 실리콘 패키징의 경우 PCB와의 매칭이 반드시 고려되어야 하는 요소이다. 더 중요한 것은 적절한 패키지가 보드 수준의 무결성 및 EMC/EMI 문제 측면에서 크게 도움이 된다는 것입니다. 따라서 실리콘 패키징을 무시하거나 경시해서는 안 됩니다.

공통 모드 전류 복사 간섭

PCB의 신호 전송 리드에는 유용한 신호를 전송하는 차동 모드 전류와 유용한 정보가 없는 공통 모드 전류가 존재하며 둘 다 EMI 방사를 생성합니다.

상대적으로 높은 전류로 인해 차동 모드 전류는 차동 모드 전류 EMI 방사를 제어하는 ​​이론 및 기술의 형성과 함께 회로 설계자들에 의해 강조되었습니다. 결과적으로 일부 EDA 도구에는 차동 모드 전류 EMI 방사 시뮬레이션 및 예측 기능이 있습니다. 그러나 차동 모드 전류와 비교할 때 공통 모드 전류는 훨씬 적기 때문에 설계자가 공통 모드 전류 EMI 방사에 대해 무지하게 되기 쉽습니다.

그럼에도 불구하고 최근 연구에 따르면 공통 모드 전류는 차동 모드 전류보다 훨씬 작지만 전자가 생성하는 EMI 방사 간섭은 후자보다 훨씬 큽니다. 지금까지 공통 모드 전류 EMI 방사는 고속 고급 회로 기판에서 방사의 주요 간섭 소스 중 하나가 되었습니다. 설상가상으로 공통 모드 전류 EMI 방사의 생성은 복잡한 이유를 보았고 시뮬레이션도 예측도 달성할 수 없습니다. 또한, 공통 모드 전류 EMI 방사를 제어하는 ​​연구는 여전히 진행 중입니다.

따라서 고속 PCB를 설계할 때 차동 모드 전류 EMI 복사만을 기반으로 EMI 복사를 시뮬레이션하고 예측하는 것은 신뢰할 수 없습니다.

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