트레이스 임피던스 이해: PCB 설계에서 중요한 이유

인쇄 회로 기판에서 와이어와 트레이스는 일반적으로 구리로 형성되는데, 은을 제외하면 가장 저항이 낮은 원소이기 때문입니다. 옴 미터로 트레이스를 측정하면 직류 저항은 거의 무시할 수 있을 정도입니다.

하지만 교류 임피던스(AC impedance)는 다릅니다. 임피던스는 저항과 달리 주파수 기반입니다. 모든 와이어와 트레이스는 드라이버에서 흐르는 전류에 최소한의 임피던스를 생성합니다. 보통 신호 상승 시간(rise time)이 상당히 빨라야 트레이스 임피던스가 문제가 되지만, 트레이스 임피던스가 존재하며 이슈가 될 수 있음을 인지하는 것이 중요합니다.

그런데 왜 트레이스 임피던스를 걱정해야 할까요? 왜 존재하며 제어 가능할까요? '제어 임피던스(controlled impedance)'라는 용어를 들어보셨다면 이미 제어 가능함을 아실 겁니다. 하지만 어떻게, 왜 가능한지 이해하려면 트레이스 임피던스 본질을 조금 이해할 필요가 있습니다.

트레이스 임피던스 작동 원리

모든 트레이스는 트레이스 단면적에 반비례하는 작고 거의 구별 안 되는 직렬 인덕턴스를 트레이스 분포 형태로 가집니다. 상승 시간이 증가하면 결과 임피던스가 더 눈에 띄게 됩니다. 마찬가지로 각 트레이스는 트레이스 폭과 트레이스와 신호 리턴 경로 사이 유전체 소재 함수인 커패시턴스를 트레이스 분포 형태로 가지며 리턴 경로 신호와 분포합니다. 다시 한번, 상승 시간이 충분히 증가하면 전류가 이 커패시턴스를 통해 흐르려 할 때 생성되는 임피던스가 상당할 수 있습니다.

드라이버는 모든 트레이스를 분포 LC 회로로 읽으며, 트레이스 AC 임피던스는 이 분포 LC 회로에서 나옵니다. 이를 비제어 임피던스(uncontrolled impedance)라고 합니다. 이 임피던스를 고려해 트레이스 환경을 설계하려는 노력을 하지 않으며, 인덕턴스와 커패시턴스가 트레이스를 따라 마음대로 변하도록 허용합니다. 결과 임피던스가 보통 동작에 영향 없으므로, 이를 제어하는 방법을 설계하는 데 시간과 돈을 낭비할 필요가 없습니다.

제어 임피던스(Controlled Impedance)

하지만 임피던스가 우리 동작에 미칠 영향이 걱정된다면? 트레이스가 전송선(transmission line)처럼 보이게 보드를 설계하여, 특성 임피던스로 종단함으로써 반사를 피할 수 있습니다. 제어 임피던스 회로 설계는 어떻게 작동할까요?

임피던스를 제어하면, 정상적인 비제어 임피던스 상황처럼 포인트투포인트로 변하는 대신 트레이스 각 지점에서 임피던스가 일정하게 유지되도록 합니다. 임피던스를 제어하려면 회로 기하학의 세 가지 특징을 제어해야 합니다: 트레이스 폭, 신호 리턴 경로와 신호 트레이스 사이 간격, 트레이스 주변 소재의 유전율(dielectric coefficient). 트레이스 두께도 다룰 수 있습니다. 예: 동축 케이블은 제어 임피던스 전송선입니다.

이 기하학적 특징들을 변경하더라도, 이들 측면 간 관계가 변하지 않고 임피던스가 일정하게 유지되도록 다른 특징들을 필요에 따라 변경하면 제어 임피던스를 유지할 수 있습니다.

PCB 트레이스 임피던스 결정 방법

제어 임피던스 인쇄 회로 기판을 제조하려면 임피던스를 측정할 수 있어야 합니다. 트레이스 임피던스 계산 최적 방법은 트레이스 임피던스 계산기를 사용하는 것입니다. 온라인이나 CAD 소프트웨어에서 트레이스 임피던스 계산기를 찾을 수 있습니다. 임피던스 결정 시 고려할 여러 파라미터:

• 트레이스 폭
• 트레이스 두께
• 라미네이트 두께
• 유전체 두께
• 구리 중량

모든 관련 파라미터를 계산한 후, 위 모든 것(주로 트레이스 폭)을 조정하여 원하는 임피던스에 도달할 수 있습니다. 허용 가능한 임피던스에 도달했다고 생각되면, 실제 보드와 동시에 같은 패널에서 제조된 테스트 쿠폰(test coupons)을 사용해 보드 효과를 테스트할 수 있습니다. 이렇게 하면 실제 보드 트레이스에 접근하는 어려움 없이 좋은 임피던스 등급을 얻을 수 있습니다. 테스트 쿠폰 트레이스는 보드 트레이스와 동일해야 정확한 테스트가 가능합니다.

일반적으로 제조사는 프로덕션 패널 양 끝에 테스트 쿠폰을 제작하여 양쪽 쿠폰 테스트로 보드 손상 없이 매우 신뢰할 수 있는 임피던스 판독값을 얻습니다. 테스터는 시간 영역 반사계(TDR) 또는 네트워크 분석기로 임피던스를 측정합니다.

임피던스는 네트워크 분석기, 실험실용 시간 영역 반사계(TDR), 또는 TDR 기법을 사용하는 제어 임피던스 테스트 시스템으로 측정할 수 있습니다. 제어 임피던스 테스트 시스템 사용 경험이 있는 엔지니어가 임피던스 테스트를 수행하여 고품질 결과를 보장합니다.

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