EMC 개선을 위한 PCB 분할 설계 규칙

EMC는 Electro-Magnetic Compatibility의 약자로 동일한 전자기 환경에서 전자 장치가 자체 기능을 구현할 수 있는 공존 상태를 의미합니다. 간단히 말해서 EMC는 전자 장치가 간섭 없이 독립적으로 정상적으로 작동하도록 허용합니다. 즉, 이러한 전자 장치는 전체 시스템에서 서로 호환될 수 있습니다. EMC는 EMI(Electro-Magnetic Interference)를 제어하여 구현되기 때문에 EMI 도입, EMI 연구, EMI 방지 솔루션 및 EMI 관리 등 EMI에 관한 일련의 연구로 발전합니다.

EMC의 기본 원칙

디지털 신호와 아날로그 신호 간의 간섭을 줄이려면 먼저 EMC의 두 가지 기본 원칙을 알아야 합니다.
원칙 1:회로 루프 영역을 최소화해야 합니다.
원칙 2:단일 기준 평면만 적용할 수 있습니다. 시스템에서.

원칙 1을 따르지 않고 신호가 큰 루프 영역을 통과해야 하면 큰 루프 안테나가 생성됩니다. 그러나 원칙 2를 따르지 않고 두 개의 기준 평면을 사용할 수 있게 되면 다이폴 안테나가 생성됩니다. 어느 쪽 결과도 예상과 다릅니다.

혼성 신호 PCB 파티셔닝 규칙 및 애플리케이션

동일한 믹스 신호 보드의 디지털 접지와 아날로그 접지를 분리하여 분리하는 것이 좋습니다. 이 솔루션의 실현 가능성에도 불구하고 특히 대규모 시스템에서 돌출되는 잠재적인 문제가 많이 발생합니다. 중요한 문제는 추적이 디지털 접지와 아날로그 접지 사이의 분할에 걸쳐 설정되지 않는다는 사실에 있습니다. 분할 전체에 추적이 설정되면 전자기 복사와 신호 혼선이 크게 증가합니다. PCB 설계에서 가장 흔히 볼 수 있는 문제는 분할 접지 또는 전원을 가로지르는 신호 라인으로 인한 EMI 발생입니다.

아래 그림 1은 위에서 소개한 상황을 나타냅니다.

이 분할 방법을 기반으로 신호 라인은 디지털 접지와 아날로그 접지 사이의 분할을 가로질러 이동해야 합니다. 그렇다면 신호회로 귀환경로는 어떤 모습일까? 두 개의 분리된 접지가 한 지점에서 함께 연결되고 이 상황에서 접지 회로에 의해 큰 루프가 생성된다고 가정합니다. 그 후, 큰 루프를 가로질러 흐르는 고주파 회로는 높은 접지 커패시턴스와 복사가 생성되는 큰 루프의 발생으로 이어질 것입니다. 낮은 수준의 아날로그 회로가 큰 루프를 가로질러 흐르면 외부 신호의 간섭을 받기 쉽습니다. 최악의 상황은 분할 접지가 전원과 연결될 때 발생하며 매우 큰 회로 루프가 형성됩니다. 또한 아날로그 접지와 디지털 접지를 긴 리드선으로 연결하면 다이폴 안테나가 형성됩니다. 결과적으로 엔지니어는 혼합 신호 PCB 설계 최적화에서 리턴 회로의 경로와 방법을 알아야 합니다. 그러나 많은 엔지니어들은 회로의 특정 경로에 대해 생각하지 않고 신호 회로의 흐름 경로를 봅니다. 접지면을 분할해야 하고 분할을 가로질러 추적을 배열해야 하는 경우 브리지가 형성된 두 분할 접지 사이에 단일 지점 연결을 먼저 구현하여 작은 루프 영역의 각 신호 라인 아래에 직류 복귀 경로를 제공할 수 있습니다. 형성되며 그림 2에 나와 있습니다.

광학 절연 장치 또는 변압기의 적용은 또한 분할을 통해 신호를 유도할 수 있습니다. 광학 절연 장치의 경우 분할을 통과하는 광학 신호입니다. 변압기의 경우 분할을 가로지르는 것은 자기장입니다. 또 다른 적용 가능한 방법은 차동 신호를 적용하는 것입니다. 신호는 다른 신호 라인에서 돌아오는 동안 라인으로 흐릅니다. 이 조건에서 접지는 반환 경로로 필요하지 않습니다.

분할 분할은 다음 세 가지 상황에서 적용될 수 있습니다.
상황 1:일부 의료 장비는 환자와 연결된 회로와 시스템 사이에 낮은 누설 전류가 필요합니다.
상황 2:일부 산업 공정 제어 장비의 입력이 다음과 같을 수 있습니다. 노이즈와 전력이 높은 전자기계 장치와 연결됩니다.
상황 3:PCB 레이아웃에는 특정 제한이 있습니다.

독립적인 디지털 및 아날로그 전원은 일반적으로 혼합 신호 PCB에서 사용할 수 있으며 분할 전원 플레인은 의존할 수 있고 또 그래야 합니다. 그러나 전원 플레인에 가까운 신호 라인은 전원 사이의 분할을 가로지르지 못하고 이 분할을 통과하는 모든 신호 라인은 넓은 면적의 도체 플레인에 대해 주변이어야 합니다. 어떤 경우에는 아날로그 전원을 평면이 아닌 PCB 연결 와이어로 설계하여 전원 평면과 관련된 분할 문제를 피할 수 있습니다.

Mix-Signal PCB의 접지면 레이아웃 방법 및 응용

아날로그 신호에 디지털 신호가 남긴 간섭을 논의하려면 먼저 고주파 전류의 속성을 이해해야 합니다. 고주파 전류는 항상 최소 임피던스(가장 낮은 인덕턴스)의 경로에 따라 달라지며 신호 바로 아래에 있습니다. 결과적으로 복귀 경로는 이 평면이 전원 평면이든 접지 평면이든 상관없이 주변 회로 평면을 가로질러 흐를 것입니다. 실제 작동에서 접지면은 아날로그 섹션과 디지털 섹션으로 분할된 회로 기판과 함께 사용되는 경향이 있습니다. 아날로그 신호는 모든 평면의 아날로그 섹션 내에 배치되고 디지털 신호는 디지털 회로 영역 내에 배치됩니다. 이 상황에서 디지털 신호 반환 전류는 아날로그 신호의 접지로 흐르지 않습니다. 디지털 신호 레이아웃이 아날로그 섹션 위에 수행되거나 아날로그 신호 레이아웃이 PCB의 디지털 섹션 위에 수행되는 한, 아날로그 신호에 디지털 신호에 의해 생성된 간섭이 발생합니다.

이러한 문제의 발생은 분리된 접지가 없는 것이 아니라 디지털 신호의 부적절한 레이아웃에서 비롯됩니다. PCB 설계, 접지면 적용, 디지털 회로 및 아날로그 회로에 의한 파티셔닝 및 합리적인 신호 레이아웃은 일반적으로 레이아웃 및 파티셔닝과 관련된 어려운 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 또한 분할 접지로 인해 발생할 수 있는 몇 가지 잠재적인 문제를 피할 수 있습니다. 결과적으로 부품 레이아웃과 파티셔닝은 PCB 설계의 품질을 결정하는 핵심 요소가 됩니다. 레이아웃과 파티셔닝이 적절하다면 디지털 접지의 전류는 간섭을 받지 않는 아날로그 신호와 함께 회로 기판의 디지털 섹션에서 제한됩니다. 이러한 상황에 대한 레이아웃은 레이아웃 규칙이 완전히 준수되어야 하는지 확인하기 위해 주의 깊게 검사하고 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 신호 라인 레이아웃이 부적절해도 전체 회로 기판이 고장날 수 있습니다.

A/D 컨버터의 아날로그 접지와 디지털 접지 핀이 함께 연결될 때 대부분의 A/D 컨버터 제조업체는 최소한의 리드를 통해 낮은 임피던스로 동일한 접지에 ADND와 DGND 핀을 연결할 것을 제안합니다. 이는 대부분의 A/D 컨버터 IC 내부에 이러한 핀이 연결되어 있지 않고 DGND에 연결된 외부 임피던스가 기생 커패시턴스를 통해 IC 내부의 아날로그 회로와 결합된 디지털 노이즈를 더 많이 유도하기 때문입니다. 따라서 A/D 컨버터의 AGND 핀과 DGND 핀은 모두 아날로그 접지로 연결되어야 합니다. 그럼에도 불구하고 디지털 신호의 디커플링 커패시터의 접지 단자에 아날로그 접지 또는 디지털 접지를 연결해야 하는 문제가 발생합니다.

단일 A/D 컨버터가 있는 시스템의 경우 위에서 소개한 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다. A/D 변환기 아래에 접지가 분리된 상태에서 아날로그 접지 부분과 디지털 접지 부분이 연결됩니다. 이 방법을 사용할 때 두 접지 사이의 브리지는 IC의 너비만큼 넓어야 하며 어떤 신호선도 분할되지 않아야 합니다.

예를 들어 10개의 A/D 변환기가 있는 시스템의 경우 어떻게 연결해야 합니까? 위에서 소개한 것과 같은 해법, 즉 A/D 컨버터 아래에 아날로그 접지와 디지털 접지를 연결하면 다점 연결이 일어나서 아날로그 접지와 디지털 접지 사이의 절연이 무의미해진다. 이와 같이 연결하지 않으면 제조사의 요구사항이 충족되지 않습니다. 최적의 솔루션은 아날로그 섹션과 디지털 섹션으로 구분되는 균일한 접지 적용에 있습니다. 이러한 유형의 레이아웃은 낮은 임피던스를 요구하지만 루프 안테나 또는 다이폴 안테나와 같은 EMC 문제를 피하려는 IC 제조업체의 아날로그 접지 및 디지털 접지에 대한 요구 사항을 충족합니다.

엔지니어가 PCB 설계에서 균일한 접지 적용에 의심이 있는 경우 접지면 분할 방법을 기반으로 레이아웃을 구현할 수 있습니다. 설계 과정에서 보드는 분리된 접지를 연결하기 위해 0.5인치 또는 0ohm 미만의 저항으로 점프 와이어에 접근할 수 있어야 합니다. 디지털 신호 라인이 아날로그 섹션 위에 배치되지 않도록 또는 그 반대로 배치되지 않도록 분할 및 레이아웃에 많은 주의를 기울여야 합니다. 또한 모든 신호 라인은 접지 분할 또는 분할 절연 전원을 가로질러 지나가지 않아야 합니다. PCB와 그 EMC의 기능을 테스트하기 위해서는 0ohm 저항 또는 점프 와이어를 통해 두 개의 접지를 연결한 다음 보드와 EMC의 기능을 다시 테스트해야 합니다. 결과 비교는 모든 경우에 균일한 접지 솔루션이 기능 및 EMC 측면에서 분할 접지 솔루션보다 낫다는 것을 나타냅니다.

혼합 신호 PCB 설계는 복잡한 프로세스입니다. PCB는 독립적인 아날로그 섹션과 디지털 섹션으로 분할되어야 하며 A/D 변환기는 섹션에 걸쳐 배치되어야 합니다. 아날로그 전원과 디지털 전원을 분리하려면 절연된 전원 플레인을 교차하지 않아야 하고 교차해야 하는 신호 라인은 주변에서 넓은 면적의 회로 레이어에 배치해야 합니다. 리턴 경로 전류가 흐르는 위치와 흐르는 방식을 분석하여 적절한 구성 요소 레이아웃과 올바른 레이아웃 규칙을 준수해야 합니다. 회로 기판의 모든 레이어에서 디지털 신호는 디지털 섹션에만 배치할 수 있는 반면 아날로그 신호는 아날로그 섹션에만 배치할 수 있습니다.

Mix-Signal PCB의 접지면 레이아웃 방법 및 응용

PCB 설계를 완료하고 실제 회로 기판으로 가져오는 데 도움을 줄 누군가가 필요한 경우. 해결을 위해 저희에게 연락 주시기 바랍니다. 우리는 맞춤형 PCB 제조 분야에서 10년 이상의 경험을 가지고 있습니다. 고객이 요구하는 모든 기능을 갖춘 PCB를 빠르고 비용 효율적으로 제작하는 데 필요한 모든 것을 갖추고 있습니다.

유용한 리소스
• 가장 포괄적인 EMI 및 EMC 자동화 도구 소개
• PCB EMC 설계의 첫 번째 성공 보장
• 전자 제품 EMC 성능의 PCB 레이아웃 영향
• 문제 전자 장치의 PCB 설계 및 전략에 대한 EMC 기술 응용 프로그램