PCB 전자기 간섭 마스터하기: 신뢰할 수 있는 설계를 위한 전략

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전자기 간섭을 피해야 하는 이유 | 전자기 문제 예방 및 해결을 위한 EMC 설계 원칙 | 1. 접지 면 | 2. 트레이스 레이아웃 | 3. 부품 배치 | 4. EMI 차폐 | Millennium Circuits Limited의 EMC 설계

전자기 문제는 PCB 설계자를 지속적으로 괴롭힙니다. 시스템 설계 엔지니어는 항상 전자기 적합성(EMC)과 간섭(EMI)을 모니터링해야 합니다. 안타깝게도 작은 설계 문제도 전자기 어려움을 초래할 수 있습니다. 보드 설계가 축소되고 고객이 더 높은 속도를 요구함에 따라 이러한 문제는 그 어느 때보다 흔해졌습니다.

두 가지 주요 문제는 전자기 적합성과 전자기 간섭입니다.

전자기 적합성(EMC)은 일반적으로 잘못된 설계를 통해 전자기 에너지의 생성, 전파, 수신을 포함합니다. 전자기 간섭(EMI)은 EMC의 원치 않는 유해한 영향과 환경적 소스에서 오는 전자기 간섭을 말합니다. 과도한 EMI는 결함 또는 손상된 제품을 초래할 수 있습니다. 모든 PCB 설계자는 EMI 양과 영향을 최소화하기 위해 EMC 설계 규칙을 따라야 합니다.

다행히 적절한 EMC 설계는 회로 기판에서 EMI를 줄일 수 있습니다.

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전자기 간섭을 피해야 하는 이유

전자기 간섭 소스는 우리 주변에 있으며, 여러 방식으로 분류할 수 있습니다.

• 소스: 인공 EMI는 전자 회로에서 발생합니다. 자연 발생 EMI는 우주 잡음과 번개 같은 환경 요인에서 발생할 수 있습니다.

• 지속 시간: 지속적 간섭은 일정한 신호를 방출하는 EMI 소스로, 대부분 배경 잡음으로 나타납니다. 임펄스 간섭은 간헐적이며, 주로 스위칭 시스템, 번개 및 기타 비일정한 소스에 의해 발생합니다.

• 대역폭: 라디오에서 사용하는 협대역 신호는 발진기와 송신기에서 오는 간섭을 겪을 수 있지만, 이 소스는 스펙트럼의 특정 부분만 간헐적으로 영향을 미칩니다. 광대역 간섭은 TV 같은 고데이터 신호에 영향을 주며, 아크 용접기와 태양 잡음 등 많은 소스에서 올 수 있습니다.

인공적이든 환경적이든 EMI는 비용이 많이 들고 위험할 수 있습니다. 통신 채널과 민감한 장치를 방해할 수 있습니다. EMI는 무선 장치 사용이 증가하는 의료 분야에서 주목할 만한 우려 사항입니다. 안타깝게도 EMI는 인공호흡기, ECG 모니터, 심장 모니터, 제세동기 같은 의료 장비 기능에 영향을 줄 수 있습니다. 다른 산업에서는 EMI가 센서와 내비게이션 시스템을 방해할 수 있습니다. 모든 경우 결과는 사용자 건강과 안전을 책임질 수 있는 장비의 방해입니다.

그러나 EMI의 가장 흔한 소스이자 설계자에게 가장 문제가 되는 소스는 내부입니다. 잘못된 PCB 설계는 보드에서 양립할 수 없는 신호들이 서로 간섭하게 만들 수 있습니다. 이 간섭은 궁극적으로 보드 실패를 초래할 수 있습니다. 설계자는 간섭을 최소화하고 방출되는 신호가 호환되어 간섭을 초래하지 않도록 해야 합니다.

 

전자기 문제를 예방하고 해결하기 위한 EMC 설계 원칙

회로 기판 설계자는 전자기 적합성 설계 원칙을 따라야 EMI를 최소화할 수 있습니다. EMC 문제의 기본 원인은 꽤 흔하며 대부분 트레이스, 회로, 비아, PCB 코일 및 기타 요소 간 간섭을 유발하는 설계 결함과 관련이 있습니다.

이러한 필수 설계 원칙은 인쇄 회로 기판 설계에서 전자기 문제를 예방하고 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

 

1. 접지 면(Ground Plane)

PCB 접지 면 설계는 가장 중요한 단계이며 EMI 감소에 필수적입니다. 접지 면은 모든 회로가 작동하려면 접지가 필요하므로 EMI에 대한 첫 번째 방어선입니다. EMI 감소를 위한 접지 설계의 일반적인 모범 사례는 다음과 같습니다.

• 접지 면적 최대화: PCB 내에서 접지 면적을 가능한 한 많이 늘리세요. 신호가 더 쉽게 분산되어 방출, 크로스토크, 노이즈를 줄일 수 있습니다. 접지 면이 너무 작으면 다른 레이어를 추가하여 다층 PCB를 만들 수 있습니다. 이 설계 솔루션은 고속 트레이스 처리를 위한 더 많은 옵션을 제공합니다.

• 단단한 면 사용: 특히 다층 PCB에서 단단한 접지 면은 이상적인 옵션입니다. 구리 도둑질(copper-thieving) 및 해시 접지 면은 일반적으로 더 높은 임피던스 수준을 초래합니다. 반면 단단한 접지 면은 더 낮은 수준을 제공합니다.

• 각 구성 요소 연결: 모든 부품을 접지 면 또는 포인트에 연결하세요. 접지 면은 보드 설계에 대한 중화제 역할을 하며, 플로팅 구성 요소는 이를 완전히 활용하지 못합니다.

• 분할 면에 주의: 매우 복잡한 PCB 설계에는 수많은 정격 전압이 포함되며, 각각 고유한 접지 면을 가져야 합니다. 그러나 너무 많은 접지 면은 제조 비용을 증가시킵니다. 이 문제는 일반적으로 단일 레이어에 여러 접지 섹션을 생성하는 분할 면을 통해 우회됩니다. 그러나 설계자는 항상 분할 면을 신중하게 사용해야 합니다. 분할 면을 사용할 타당한 이유가 있는지 확인하고, 사용하는 경우 단일 포인트에서만 연결되도록 하세요. 분할 접지 PCB에서 여러 접지 연결은 루프를 생성하여 EMI를 방사하는 안테나가 될 수 있습니다.

• 바이패스 또는 디커플링 커패시터 연결: 설계에 바이패스 또는 디커플링 커패시터가 포함된 경우, 이를 접지 면에 연결하세요. 이 행위는 루프 크기를 줄여 복귀 전류를 줄이는 데 도움이 됩니다.

• 신호 길이 최소화: 트레이스 길이는 중요합니다. 신호가 소스에서 오고 가는 데 걸리는 시간이 호환되어야 하기 때문입니다. 그렇지 않으면 EMI를 방사할 수 있습니다. 트레이스 길이를 가능한 한 짧게 유지하고 대략 동일하게 유지하세요.

 

2. 트레이스 레이아웃

트레이스는 보드 설계에 특히 중요합니다. 적절한 트레이스 사용은 전류가 적절히 전파되도록 보장합니다. 그러나 트레이스가 최고의 EMC 설계 규칙에 따라 배치되지 않으면 많은 문제가 발생할 수 있습니다.

트레이스는 본질적으로 회로가 활성화된 동안 흐르는 전자를 포함하는 전도성 경로입니다. 따라서 이 트레이스는 단 한 번의 실수로 방사 안테나를 생성할 수 있습니다. 간단한 굽힘이나 교차로 인해 PCB 전자기 간섭이 발생할 수 있습니다.

PCB 설계에서 트레이스 레이아웃에 대한 최고의 규칙 중 일부는 다음과 같습니다.

• 직각 피하기: 비아, 트레이스 및 기타 부품에 45도에서 90도 각도를 피하세요. 트레이스가 45도 이상 각도에 도달하면 정전 용량이 증가합니다. 결과적으로 특성 임피던스가 변경되어 반사가 발생합니다. 이 반사는 EMI를 초래합니다. 모서리를 돌아야 하는 트레이스를 둥글게 만들거나 45도 이하의 두 개 이상의 각도를 통해 라우팅하면 이 문제를 피할 수 있습니다.

• 신호 분리: 고속 트레이스를 저속 신호와 분리하고, 아날로그 신호를 디지털 신호와 분리하세요. 근접은 간섭을 초래할 수 있습니다.

• 복귀 경로 단축: 복귀 전류 경로를 가능한 한 짧게 유지하고, 최소 저항 경로를 따라 라우팅하세요. 복귀 경로는 전송 트레이스와 길이가 거의 같거나 더 짧아야 합니다.

• 간격 유의: 병렬로 실행되는 두 고속 신호는 크로스토크를 통해 EMI를 생성합니다. 한 트레이스는 '공격자', 다른 하나는 '피해자'가 됩니다. 공격자는 유도성 및 용량성 커플링을 통해 피해자 트레이스에 영향을 주어 피해자 트레이스에 순방향 및 역방향 전류를 생성합니다. 트레이스 간 최소 간격을 유지하여 크로스토크를 최소화할 수 있습니다. 일반적으로 트레이스 폭의 두 배로 트레이스를 분리하세요. 예를 들어, 트레이스가 5/1000인치 폭이면 두 평행 트레이스 사이에 최소 10/1000인치 이상 거리를 두세요.

• 비아 신중히 사용: 비아는 라우팅 시 보드의 여러 레이어를 활용할 수 있게 하므로 PCB 설계에 필요합니다. 그러나 설계자는 사용할 때 주의해야 합니다. 비아는 자체 인덕턴스와 정전 용량 효과를 추가하여 특성 임피던스 변화로 인한 반사를 잠재적으로 초래할 수 있습니다. 비아는 트레이스 길이도 증가시키며, 이는 매칭되어야 합니다. 가능하면 차동 트레이스에 비아 사용을 피하세요. 불가능하다면 두 트레이스 모두에 사용하여 지연을 보상하세요.

 

3. 부품 배치

전자 부품은 전자 회로의 빌딩 블록입니다. 그러나 부적절하게 배치하면 여러 EMI 문제를 일으킬 수 있습니다. PCB 설계 시 각 부품의 EMI 영향을 염두에 두세요. PCB 설계에서 부품 레이아웃의 모범 사례는 다음과 같습니다.

• 아날로그와 디지털 부품 분리: 트레이스와 마찬가지로 아날로그와 디지털 회로 및 부품을 항상 분리하세요. 아날로그와 디지털 회로를 근접 배치하면 크로스토크 등 문제가 발생할 수 있습니다. 이를 피하려면 차폐, 다층, 별도 접지를 사용하여 아날로그와 디지털 신호를 가능한 한 멀리 배치하세요. 일반적으로 아날로그와 디지털 신호를 완전히 별도 접지에 두는 것이 최선입니다.

• 아날로그와 고속 부품 분리: 아날로그 회로는 높은 전류를 운반하여 고속 트레이스와 스위칭 신호에 문제를 일으킬 수 있습니다. 이들을 서로 멀리 두고 아날로그 회로를 접지 신호로 보호하세요. 다층 PCB에서 아날로그 트레이스를 라우팅하여 아날로그 회로와 스위칭 또는 고속 신호 사이에 접지 면이 존재하도록 하세요.

• 고속 구성 요소 주의: 구성 요소가 빠르고 작을수록 더 많은 EMI를 생성할 가능성이 높습니다. 차폐와 필터링을 통해 이 자연적 EMI를 퇴치할 수 있지만, 보드 설계에서 이러한 구성 요소를 다른 것들과 분리하는 것도 좋은 생각입니다. 또 다른 조치는 고속 신호와 클럭을 가능한 한 짧게 유지하고 접지 면에 인접하게 두는 것입니다. 이러한 조치는 크로스토크, 노이즈, 방사 수준을 허용 가능한 한도 내로 억제하는 데 도움이 됩니다.

 

4. EMI 차폐

어떤 구성 요소는 어떤 설계 규칙을 따르든 EMI를 생성합니다. 특히 작고 고속 부품이 그렇습니다. 다행히 차폐와 필터링으로 이 EMI 효과를 최소화할 수 있습니다. 일부 차폐 및 필터링 옵션은 다음과 같습니다.

• 구성 요소 및 보드 차폐: 물리적 차폐는 보드의 전체 또는 일부를 캡슐화하는 금속 패키지입니다. 목표는 EMI가 보드 회로에 들어오는 것을 막는 것이지만, 구체적 방법은 EMI 소스에 따라 다릅니다. 시스템 내부에서 오는 EMI의 경우, 구성 요소 차폐를 사용하여 EMI를 생성하는 특정 구성 요소를 감쌀 수 있습니다. 이는 접지에 연결되어 안테나 루프 크기를 줄이고 EMI를 흡수합니다. 다른 차폐는 외부 소스에서 오는 EMI로부터 보호하기 위해 보드 전체를 감쌀 수 있습니다. 예를 들어 페러데이 케이지(Faraday Cage)는 RF 파동을 차단하도록 설계된 두꺼운 보호 인클로저입니다. 이 장치는 보통 금속이나 전도성 폼으로 만들어집니다.

• 로우패스 필터링: 때때로 PCB에 로우패스 필터를 포함하여 구성 요소에서 고주파 노이즈를 제거할 수 있습니다. 이 필터는 이 부품의 노이즈를 억제하여 전류가 간섭 없이 복귀 경로를 계속할 수 있게 합니다.

• 케이블 차폐: 아날로그와 디지털 전류를 운반하는 케이블이 가장 많은 EMI 문제를 만듭니다. 이들은 기생 정전 용량과 인덕턴스를 생성하여 특히 고주파 신호에 문제가 됩니다. 다행히 이 케이블들을 차폐하고 앞뒤로 접지에 연결하면 EMI 간섭을 상쇄하는 데 도움이 됩니다.

 

Millennium Circuits Limited의 EMC 설계

기술이 발전하고 전자기 간섭 문제가 증가함에 따라, 귀사는 미래를 대비하기 위해 리소스에 투자해야 합니다. 전자기 문제는 더 발전할 것이며, 최신 모범 사례를 따라잡는 것이 이러한 문제를 피하고 귀사를 미래 성공으로 이끄는 최선의 방법입니다. 이의 일부는 품질 인쇄 회로 기판 공급업체와 협력하는 것입니다. 귀사의 공급업체는 귀사가 직면할 수 있는 모든 PCB 프로젝트를 처리할 태세를 갖출 것입니다. Millennium Circuits Limited가 귀사를 그곳으로 이끌 수 있습니다.

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