고속 신호 무결성을 위한 상위 3가지 PCB 라우팅 기법

인쇄 회로 기판(PCB) 설계는 전기 엔지니어 업무의 핵심이며 완벽한 PCB를 설계하는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 완벽한 PCB는 부품 선택과 배분의 합리성뿐만 아니라 높은 신호 전도성에서도 비롯됩니다. 이 논문에서는 PCB 고속 신호 회로 설계의 라우팅 기법 지식을 소개하고 표시하여 엔지니어링 업무에 도움을 드리고자 합니다.

다층 기판 기반 PCB 라우팅

PCB 설계 시 대부분의 엔지니어는 다층 기판을 사용하여 고속 신호 라우팅을 완료하려 합니다. 이 다층 기판은 PCB의 핵심 역할을 할 뿐만 아니라 회로 간섭을 감소시키는 기능도 있어, 이러한 문제에 직면한 엔지니어들에게 주요한 방법이 됩니다. 다층 기판 활용을 기반으로 PCB上に 고속 신호 회로를 설계할 때 엔지니어는 합리적으로 레이어 수를 결정하여 보드 크기를 줄이고, 중간 레이어를 차폐 설정으로 최대한 활용하여 인접 그라운드를 실현함으로써 기생 인덕턴스를 효과적으로 감소시키고, 신호 전송 길이를 단축하며, 신호 간 교차 간섭을 줄일 수 있습니다. 이러한 모든 방법은 고속 신호 회로 신뢰성에 매우 유익합니다.

위에서 언급한 다층 기판을 이용한 PCB 신호 전송 신뢰성 향상 방법 외에도, 권위 있는 데이터에 따르면 동일한 재료를 사용할 때 4층 기판에서 발생하는 노이즈가 2층 기판보다 20dB 낮습니다. 리드 벤딩의 경우 벤딩이 적을수록 좋으며, 직선 라인을 사용하는 것이 최선입니다. 벤딩이 필요할 때는 45도 라인이나 아크 라인을 사용하여 고속 신호의 외부 방출을 줄이고 상호 결합을 감소시키며, 복사와 반사도 모두 감소시킬 수 있습니다.

고속 회로 내 부품 간 리드 핀을 최대한 짧게

PCB 고속 신호 회로 설계 및 라우팅 과정에서 엔지니어는 고속 회로 내 부품 간 리드 핀을 최대한 짧게 만들어야 합니다. 리드가 길수록 분포 인덕턴스와 분포 커패시턴스가 커져 고속 회로에서 반사와 발진을 유발하기 때문입니다.

고속 회로 내 부품 간 리드 핀 단축 외에도, PCB 라우팅 과정에서 각 고속 회로上の 부품 리드 핀 간 리드 인터레이어 교번(layer alternation)을 단축해야 합니다. 즉, 부품 연결 과정에서 스루홀(through-hole)을 가능한 한 적게 사용해야 합니다. 일반적으로 하나의 스루홀은 약 0.5pF 분포 커패시턴스를 유발하며, 이는 회로 지연 증가를 초래합니다. 한편 고속 회로 라우팅 과정에서 신호 라인 근거리 병렬 라우팅에 의해 유도되는 교차 간섭을 충분히 고려해야 합니다. 병렬 분포를 우회할 수 없는 경우, 병렬 신호 라인 뒤에 대면적 그라운드를 설정하여 간섭을 줄일 수 있습니다. 인접한 두 레이어에서 라우팅 방향은 수직이어야 합니다.

특히 중요한 신호 라인이나 국부 부위에 그라운드 서라운드(Ground Surrounding) 적용

PCB 라우팅 설계 과정에서 엔지니어는 특히 중요한 신호 라인이나 국부 부위에 그라운드 서라운드를 활용할 것을 제안합니다. 클럭 신호와 고속 아날로그 신호처럼 간섭에 덜 취약한 신호를 라우팅할 때 보호용 그라운드 와이어를 주변에 추가하고, 보호할 신호 라인을 중간에 둡니다. 모든 유형의 신호 라우팅은 루프를 형성할 수 없으며 그라운드 와이어도 마찬가지입니다. 그러나 루프 라우팅 회로가 형성되면 시스템에 큰 간섭이 발생합니다. 신호 라인 주변에 그라운드 와이어로 라우팅하는 장점은 라우팅 과정에서 루프를 효과적으로 방지한다는 것입니다. 각 집적 회로 블록 근처에 하나 또는 여러 개의 고주파 디커플링 커패시터를 설정하는 것이 좋습니다. 아날로그 그라운드 와이어나 디지털 와이어가 공통 그라운드 와이어에 연결될 때 고주파 초크 링크를 사용해야 합니다. 일부 고속 신호 라인은 특수 처리가 필요합니다. 예를 들어 차동 신호는 동일 레이어上に 있어야 하며 가능한 한 병렬 라우팅에 가깝게 해야 합니다. 어떤 신호도 차동 신호 라인 사이에 삽입할 수 없으며 각 라인은 동일한 길이를 가져야 합니다.

위에서 언급한 방법들 외에도 PCB 신호 라우팅 설계 시 엔지니어는 고속 신호 배선 분기나 스텁(stub) 형성을 피해야 합니다. 고주파 신호 와이어가 표면 레이어上に 배치되면 상대적으로 큰 전자기 복사가 발생할 수 있으므로, 고주파 신호 와이어는 전원과 그라운드 와이어 사이에 배치해야 합니다. 이렇게 하면 전원과 하단 레이어의 전자기 흡수로 인해 생성된 복사가 높은 수준으로 감소합니다.

물론 실제 프로젝트에서는 이론이 실전보다 앞설 수 없습니다. PCB 라우팅 설계 측면에서 제 경험을 공유하고자 합니다. 첫째, 귀하가 PCB의 유일한 라우팅 설계자가 아니라면 라우터 설계를 확인할 충분한 시간을 확보하세요. 약간의 예방이 많은 수리보다 낫습니다. 라우터가 귀하의 생각을 이해하기를 기대하는 것은 어리석은 일입니다. 귀하의 조언과 지침이 라우팅 설계 초기 단계에서 가장 중요합니다. 더 많은 정보를 제공하고 설계에 더 많이 관여할수록 더 나은 PCB를 얻을 수 있습니다. 좋은 방법은 다음과 같습니다: PCB 설계 엔지니어에게 잠정적 완료 지점을 설정하여 라우팅 절차가 귀하의 단계에 따라 엄격하게 진행되도록 합니다. 이 방법은 클로즈드 루프와 같아서 라우팅이 궤도를 벗어나지 않게 하여 리워크 가능성을 최소화합니다.

그런 다음 라우팅 엔지니어에게 제공해야 할 지침에는 다음이 포함됩니다: 회로 기능 간략 설명; 입출력 위치 라벨이 있는 PCB 스케치; 두께, 레이어 수, 각 신호 레이어와 그라운드 플레이트 상세 정보 등 PCB 레이어 정보; 각 레이어가 요구하는 신호 유형; 중요 부품 위치 요구사항; 바이패스 부품 구체적 위치; 인쇄 라인의 중요성; 임피던스 제어 인쇄 라인이 필요한 회로의 중요성; 매핑 길이가 필요한 회로; 부품 크기; 거리 또는 근접이 필요한 인쇄 라인, 회로 또는 부품; 상단 또는 하단에 배치될 부품 유형.

유용한 참고 자료

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