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접지는 모든 전자 회로와 전류를 다루는 모든 시스템에 중요한 개념입니다. 전력망부터 가정, 인쇄 회로 기판(PCB)까지 모든 것에 그라운드가 있습니다. PCB는 거의 모든 전자제품의 기능에 필수적이며, 각 PCB는 올바르게 작동하기 위해 적절한 접지가 필요합니다.
사람들은 그라운드라는 용어를 다양한 개념을 설명하는 데 사용합니다. 이 문서에서는 이러한 개념, PCB에서 그라운드의 중요성, PCB에서 접지에 사용할 수 있는 다양한 방법에 대해 논의하겠습니다.
인쇄 회로 기판의 그라운드 플레인은 임의의 전압 노드와 전류의 공통 리턴 경로 역할을 하는 도전체입니다. 0 기준점 또는 0볼트 포인트입니다. 그라운드는 신호를 기준으로 삼는 참조점입니다.
전자공학에서 그라운드는 회로의 특정 지점에 주어진 이름입니다. 양극과 음극 단자가 있는 배터리 하나가 있는 회로에서 음극 단자를 보통 그라운드라고 부릅니다.
일부 회로에는 양극, 음극, 그라운드라는 연결이 있습니다. 이 경우 그라운드는 전압으로 측정된 음극과 양극 단자 사이의 중간 지점입니다. 전압이 9라면 그라운드 플레인은 4.5볼트가 됩니다. 그러나 그라운드를 0이라고 부르고, 양극 단자를 4.5볼트, 음극 단자를 -4.5볼트라고 부를 수 있습니다. 전압은 두 점 사이의 측정이므로 4.5와 -4.5 사이에도 여전히 9의 차이가 있기 때문입니다.
접지 기술의 부적절한 사용은 시스템 성능을 크게 저하시킬 수 있습니다. 원치 않는 그라운드 및 신호 리턴 전압 제어 등 접지의 다양한 측면을 관리해야 하며, 이는 성능을 악화시킬 수 있습니다. 외부 신호 커플링, 공통 전류 및 기타 문제가 이러한 전압을 유발할 수 있습니다. 도전체를 적절히 라우팅하고 크기를 조정하고, 차동 신호 처리를 사용하고, 그라운드 격리 기술을 사용하면 이러한 원치 않는 전압을 제어하는 데 도움이 됩니다.
아날로그와 디지털 혼합 신호 환경에서 작업할 때도 특별한 고려사항이 있습니다. 접지는 넓은 다이나믹 레인지를 가진 신호로 작업할 때 노이즈를 최소화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
그라운드라고 불리는 다양한 유형의 노드가 있습니다. 플로팅 그라운드, 버추얼 그라운드, 어스 그라운드 등이 있습니다.
어스 그라운드와 섀시 그라운드가 같은 기능을 수행하므로 이 용어들은 종종 안전 그라운드라는 용어와 함께 상호 교환적으로 사용됩니다.
PCB 접지에 관해서는 만능 접근 방식이 없습니다. 시스템에 가장 좋은 접지 방법을 결정하려면 그 안에서 전류가 어떻게 흐르는지 이해해야 합니다. 그러나 선택할 수 있는 다양한 방법과 대다수 시스템에 적용되는 모범 접지 관행 팁이 있습니다. 귀하의 기판에 맞는 접근 방식을 결정하려면 기판 설계를 이해하고 여러 기술을 시도해 볼 필요가 있습니다.
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PCB 접지에 사용할 수 있는 다양한 기술이 있습니다. 다음은 오늘날 사용되는 가장 일반적인 접근 방식들입니다.
일반적인 기술 중 하나는 그라운드 플레인을 사용하는 것입니다. 이는 PCB의 큰 구리 조각입니다. 일반적으로 PCB 제조업체는 부품이나 트레이스가 없는 모든 영역을 구리 그라운드 플레인으로 덮습니다.
양면 기판에서 표준 PCB 그라운드 플레인 규칙은 그라운드 플레인을 기판의 하단 레이어에 배치하고, 부품과 신호 트레이스는 상단 레이어에 두는 것을 나타냅니다.
그라운드 플레인에 의해 도전성 링이 형성되는 것을 피하는 것이 가장 좋습니다. 이는 그라운드 플레인이 전자기 간섭(EMI)에 더 취약하게 만들기 때문입니다. 이 도전성 링은 인덕터 역할을 하며, 외부 자기장이 그라운드 루프라고 불리는 전류를 유도할 수 있습니다. 그라운드 플레인을 전체 하단 레이어에 배치한 다음 전자 부품이 있는 부분을 제거하면 도전성 링이 생길 수 있습니다. 이 문제를 피하려면 트레이스를 가능한 한 짧게 만들고, 매핑한 후 그라운드 플레인을 그 아래 전체에 걸쳐 배치하세요. 도전성 링을 생성하지 않으려면 트레이스와 부품 레이아웃을 조정해야 할 수 있습니다.
그라운드 플레인은 종종 기판 양면에 있습니다. 일부 경우 부품 면의 플레인은 공급 전압으로 유지되고 기판 다른 면의 플레인은 접지됩니다. 그라운드 플레인은 부품과 커넥터의 그라운드 핀에 연결되어 전체 PCB에서 그라운드 전압을 같은 수준으로 유지합니다.
양면 PCB에서 하나 이상의 그라운드 플레인을 사용할 수도 있습니다. 각 플레인은 전원 공급 장치에 개별적으로 연결되어 플레인을 분리하고 그라운드 루프 발생을 방지해야 합니다.
PCB 양면에 그라운드 플레인이 있다면 기판의 여러 다른 위치에서 비아(vias)를 통해 연결됩니다. 이 비아는 기판을 관통하여 양면을 서로 연결하는 구멍입니다. 비아가 들어갈 수 있는 곳이라면 어디서든 그라운드 플레인에 접근할 수 있게 합니다.
비아를 사용하면 그라운드 루프를 피하는 데 도움이 됩니다. 부품을 직접 그라운드 포인트에 연결하여 낮은 임피던스를 통해 회로의 다른 모든 그라운드 포인트와 연결합니다. 또한 리턴 루프 길이를 짧게 유지하는 데 도움이 됩니다.
그라운드 플레인 같은 구리 조각은 전류가 흐르는 주파수의 파장의 4분의 1에서 공진할 수 있습니다. 특정 간격으로 그라운드 플레인 주위에 스티칭 비아(stitching vias)를 배치하면 이를 제어하는 데 도움이 됩니다. 실용적인 경험 법칙은 파장의 8분의 1 이하 간격으로 그라운드 비아를 배치하는 것입니다. 이는 트레이스상의 스터브(stub)가 파장의 8분의 1에서만 문제가 되기 때문입니다.
비아를 만들려면 기판에 작은 구멍을 뚫고 얇은 구리 와이어를 통과시킨 후 양면을 납땜하여 필요한 연결을 형성합니다.
PCB의 모든 커넥터는 그라운드에 연결되어야 합니다. 커넥터에서 모든 신호 도전체는 병렬로 실행되어야 합니다. 이로 인해 그라운드 핀을 사용하여 커넥터를 분리해야 합니다.
각 기판에는 그라운드로 연결되는 커넥터 핀이 하나 이상 필요할 것입니다. 핀이 하나만 있으면 임피던스 불일치 문제를 일으킬 수 있으며, 이는 진동을 유발할 수 있습니다. 두 연결된 도전체의 임피던스가 일치하지 않으면 그들 사이를 흐르는 전류가 앞뒤로 튕길 수 있습니다. 이러한 진동은 시스템 성능을 변경하고 의도한 대로 작동하지 않게 만들 수 있습니다. 커넥터의 각 핀 접촉 저항은 낮지만 시간이 지남에 따라 상승할 수 있습니다. 따라서 여러 그라운드 핀을 사용하는 것이 이상적입니다. PCB 커넥터 핀의 약 30~40%가 그라운드 핀이어야 합니다.
커넥터는 다양한 피치로 제공되며 핀 행의 수가 다를 수 있습니다. 커넥터의 핀은 PCB 표면과 평행하거나 직각일 수 있습니다.
PCB에는 전원으로 작동해야 하는 하나 이상의 집적 회로(IC) 칩이 포함됩니다. 이 칩들은 외부 전원에 연결하기 위한 공급 핀을 가집니다. 또한 PCB의 그라운드 플레인에 연결되는 그라운드 핀도 있습니다. 공급 핀과 그라운드 핀 사이에는 디커플링 커패시터(decoupling capacitor)가 있어 칩에 공급되는 전압의 진동을 부드럽게 합니다. 디커플링 커패시터의 반대쪽 끝은 그라운드 플레인에 연결됩니다.
디커플링 커패시터 사용의 주요 이유 중 하나는 기능성과 관련됩니다. 디커플링 커패시터는 전하 저장 장치 역할을 할 수 있습니다. 집적 회로(IC)에 추가 전류가 필요할 때 디커플링 커패시터는 낮은 인덕턴스 경로를 통해 이를 공급할 수 있습니다. 따라서 디커플링 커패시터를 IC 전원 핀 가까이에 배치하는 것이 가장 좋습니다.
또 다른 주요 목적은 전원 및 그라운드 플레인 쌍에 유입되는 노이즈와 EMI를 줄이는 것입니다. 이 노이즈를 유발할 수 있는 두 가지 주요 문제가 있습니다. 하나는 IC 전원 핀에서 전압을 일시적으로 낮추는 적절한 전류를 제공하지 않는 디커플링 커패시터입니다. 다른 하나는 빠른 스위칭 신호를 가진 비아를 사용하여 전원과 그라운드 플레인 사이에 의도적으로 전류를 보내는 것입니다.
디커플링 커패시터의 배치와 수를 두 가지 기능성에 기반하여 선택해야 합니다. 종종 커패시터를 기판 전체에 분산시키는 것이 최선의 접근 방식입니다. IC 그라운드와 전원 핀 근처에 일부를 배치하여 사용해 보세요. 가장 높은 정전 용량 값을 사용하는 것도 권장되며, 모든 커패시터를 같은 값으로 유지하는 것이 가장 좋습니다. 높은 등가 직렬 저항(ESR) 커패시터와 일반 커패시터의 조합을 사용하고 싶을 수도 있습니다.
접지는 모든 PCB 설계의 필수적인 부분입니다. 모든 PCB 설계는 특정 접지 관행을 따라야 합니다. 접지 시 기억해야 할 몇 가지 팁은 다음과 같습니다.
PCB 레이아웃에서 아무것도 연결되지 않은 상태로 두지 마세요. 구리와 비아로 빈 공간을 채워 그라운드 플레이트에 연결하는 것이 좋습니다. 그렇게 하면 모든 신호가 효율적으로 그라운드에 도달할 수 있는 구조화된 경로가 보장됩니다.
전용 그라운드 레이어가 있는 경우(많은 4층 기판이 그렇듯), 거기에 라우트 트레이스가 없는지 확인하세요. 라우트 트레이스를 추가하여 그라운드 레이어를 분할하면 그라운드 전류 루프가 생성됩니다. 대신 그라운드 레이어가 온전하게 유지되도록 하세요.
모든 PCB는 모든 그라운드가 모이는 단일 지점을 가져야 합니다. 종종 이것은 제품의 금속 프레임이나 섀시입니다. 기판의 전용 레이어일 수도 있습니다. 이 단일 지점은 다양한 도전체가 이 위치에서 별 모양 패턴으로 뻗어 나가기 때문에 스타 그라운드(star ground)라고 불리기도 합니다. 혼합 신호 응용 분야에서는 별도의 아날로그 및 디지털 전원 공급 장치가 별도의 아날로그 및 디지털 그라운드를 가지며 스타 포인트에서 만날 수 있습니다.
그라운드 경로를 따라 비아 수를 최소화하고 부품 그라운드를 가능한 한 직접 그라운드 플레인으로 보내는 것이 가장 좋습니다. 기판에 추가 비아를 추가하면 임피던스가 더 생성됩니다. 이 고려사항은 임피던스 경로를 전압 차이로 만들 수 있는 빠른 과도 전류에 특히 중요합니다.
그라운드는 라우팅 프로세스의 기초이므로 어떤 라우팅보다 먼저 설계되어야 합니다. 그라운드가 잘못 설계되면 전체 장치가 위험에 처하지만, 한 신호가 예상대로 작동하지 않는 경우는 그렇지 않습니다.
기판에서 전류가 어디로 가는지 이해하면 적절한 접지를 보장하는 데 도움이 됩니다. 신호가 어디로 갈지뿐만 아니라 취할 리턴 경로도 고려하는 것이 필수적입니다. 신호의 송신 및 리턴 경로는 같은 전류를 가지며 이는 그라운드 바운스와 전원 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.
다중 기판 시스템에서 기판 간 그라운드 연결을 보낼 때 동적 편차에 대비하여 계획하는 것이 중요합니다. 긴 케이블이 필요한 응용 분야를 다룰 때 특히 중요합니다. 옵티컬 아이솔레이터, 저전압 차동 신호, 공통 모드 초크가 편차를 제어하는 데 도움이 될 수 있습니다.
아날로그와 디지털 신호를 함께 다룰 때는 계획에 신중해야 합니다. 기판의 아날로그 부분은 ADC(아날로그-디지털 변환기)와 DAC(디지털-아날로그 변환기)를 포함하여 격리되어야 합니다. ADC의 그라운드를 공통 그라운드 포인트로 다시 연결하여 디지털 신호를 PCB의 다른 섹션으로 전달할 수 있습니다.
적절한 접지는 모든 PCB에 중요한 고려사항입니다. 이 개념을 둘러싼 혼란이 종종 있으며 구현이 어려울 수 있습니다. 귀하의 설계에서 전류 흐름을 이해하고 이 문서에 설명된 관행과 기술을 일부 활용하면 도움이 될 수 있습니다.
Millennium Circuits 같은 경험 많은 PCB 공급업체와 파트너십을 맺는 것도 도움이 됩니다. 귀하의 응용 분야에 적절한 접지 기술을 사용하는 PCB를 받을 수 있도록 도울 수 있습니다. 질문이나 다음 프로젝트에 완벽한 PCB를 찾는 데 도움이 필요하면 문의하세요. 오늘 빠른 견적을 요청하여 시작하세요.
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산업기술
인쇄 회로 기판(PCB)은 오늘날 모든 전자 제품의 핵심입니다. 이 작은 녹색 부품은 일상 가전제품부터 산업용 기계까지 필수적입니다. PCB 설계와 레이아웃은 모든 제품 기능의 중요한 구성 요소로, 장비의 성공 또는 실패를 결정합니다. 기술의 끊임없는 진화로 이러한 설계는 지속적으로 발전해 왔습니다. 오늘날 전기 엔지니어들의 혁신 덕분에 이러한 설계의 복잡성과 기대치는 새로운 차원에 도달했습니다. 최근 PCB 설계 시스템과 기술의 발전은 업계 전반에 광범위한 영향을 미쳤습니다. 그 결과 PCB 설계 규칙과 생산 공정이 진화하여
납은 쉽게 녹고 부식에 덜 취한 방수 금속으로 많은 용접 프로젝트에 이상적인 선택입니다. 납은 종종 자동차 부품과 파이프에 사용되지만, 부적절하게 다루면 매우 독성이 강합니다. 작업 공간을 환기하고 안전 장비를 착용한 후 토치를 켜십시오. 그런 다음 산소-아세틸렌 토치와 납땜 봉을 사용하여 결합을 완료하십시오. 오래된 납 조각이든 새로운 조각이든 용접하여 강하고 오래 지속되는 결합을 만드십시오. 납 용접이란? 납 버닝(Lead burning)은 납 시트를 접합하는 용접 공정입니다. 일반적으로 산소-아세틸렌 가스 용접으로 수행되는 수
