고속 PCB 라우팅 최적화로 EMI 영향 최소화하기

차세대 전자 기술로 인해 부품의 높은 에지 속도가 증가하고 있습니다. 회로 동작 속도 향상으로 PCB 설계에 대한 요구사항이 점점 더 높아지고 있습니다. PCB 설계 품질은 부품의 동작 성능과 전체 회로를 결정합니다. 특히 비용, PCB 면적, 종합 회로 기능을 고려할 때 EMI(전자파 간섭) 발생 원인이 점점 더 넓어지고 메커니즘이 복잡해지고 있습니다.

EMI 메커니즘과 해결책

EMI의 주요 요소는 전자파 간섭원, 전송 경로, 간섭 대상입니다. EMI를 유발하는 요소를 특정하면, PCB 설계 과정에서 해결하기 쉬운 요소와 부분적으로만 해결할 수 있는 요소를 판별하여 레이아웃, 라우팅, 접지 과정에서 고려할 수 있습니다.

• 레이아웃

PCB 레이아웃 측면에서 기능에 따라 영역을 분할해야 합니다. 서로 다른 기능을 서로 다른 영역에 분배하면서 기능 영역 내 민감한 유닛에 특별한 주의를 기울여야 합니다.

일반적으로 PCB 레이아웃에서는 다음 원칙을 따라야 합니다:

a. 고속 회로에서 부품 핀 분포 파라미터를 고려해야 하며, 특히 고속 클럭 신호의 경우 부품 핀의 분포 용량이 매우 중요합니다. 동시에 분포 인덕턴스도 참조해야 하는데, 이는 신호 발진을 유발하여 회로 기능 장애를 일으킬 수 있기 때문입니다. 따라서 레이아웃 과정에서 높은 밀도로 분배하고 리드 길이를 줄여 향후 라우팅을 용이하게 하고 EMI 영향을 감소시켜야 합니다.

b. 회로에 아날로그 부품과 디지털 부품이 모두 있는 경우, 레이아웃 과정에서 이들을 독립적으로 분배해야 합니다. 디지털 부품 신호는 복합적인 조성을 가지며 다수의 고조파가 존재하므로 아날로그 신호에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 신중하게 고려해야 합니다.

c. 클럭 유닛은 고속 회로에서 필수적입니다. 클럭 유닛의 동작 메커니즘은 사실상 노이즈 소스와 동일하며, 특정 조건이 충족되면 발진합니다. 전도 간섭과 복사 간섭의 중요한 소스로서 클럭 유닛은 PCB 가장자리에 배치해서는 안 됩니다. 그렇지 않으면 EMI가 심각해집니다. 클럭 유닛을 PCB 중앙에 배치해야 하며, 이는 회로의 EMI를 크게 줄일 수 있습니다.

• 라우팅

PCB 라우팅 과정에서 저비용 조건 하에서 그라운드 플레인을 최대한 확대하여 EMI 영향을 줄일 수 있습니다. 그러나 비용을 엄격히 통제해야 하는 상황에서는 PCB 레이어 수와 적층 순서를 신중히 고려해야 합니다. 또한 신호 유형을 고려하여 고속 신호와 저속 신호를 독립적으로 라우팅해야 합니다. 이 외에도 노이즈 소스와 노이즈 억제 강화 방법, 임피던스 매칭 문제(고속 신호가 적절히 매칭되지 않으면 신호 반사가 반드시 발생하여 회로 신뢰성 저하), 넷리스트 등도 고려해야 합니다.

a. 라우팅 기본 원칙

라우팅에서 따르는 일반적인 원칙은 다음과 같습니다:

1). 라우팅에서 중단점을 피해야 하며, 즉 직각을 피해야 합니다(그림 1 참조).

직각은 반사를 유발할 수 있으므로 변곡점을 부드럽게 설계하여 이 현상을 피해야 합니다. 동시에 중요 신호는 분할 영역을 넘어가서는 안 되며, 그렇지 않으면 EMI가 즉각적으로 증가합니다. 가장 일반적인 신호 바이패스는 서로 다른 전원 분할 영역을 가로지르는 것입니다.

2). 레이아웃 과정에서 아날로그 부품과 디지털 부품을 서로 분리해야 하며, 이는 이들의 라우팅도 분리해야 함을 의미합니다. 동시에 그라운드 선과 전원 선의 폭을 넓혀야 하며, 일반적인 규칙은 그라운드 선 폭 > 전원 선 폭 > 신호 선 폭입니다. 또한 신호 선 라우팅에서 3W 원칙을 충분히 고려해야 하며, 다층 보드의 경우 내부 레이어에서 20H 원칙을 고려해야 합니다. 위의 작업을 완료하면 EMI의 70%를 방지할 수 있습니다. 아날로그 민감 선의 경우 접지 등의 조치를 취할 수 있습니다.

3). USB 2.0 또는 기타 고속 차동선의 라우팅에는 커플링 라우팅을 적용하고 차동 쌍 사이의 레퍼런스 표면 무결성을 보장해야 합니다. 차동 쌍은 일반적으로 고속 신호이므로 PCB 가장자리에 라우팅해서는 안 됩니다.

b. 루프

PCB 설계에서 루프는 피할 수 없습니다. 루프는 신호가 흘러나갔다가 들어오는 과정에서 형성되며, 각 루프는 안테나 역할을 합니다. PCB의 EMI를 줄이려면 루프 개수와 루프의 안테나 능력을 모두 줄여야 합니다. 이는 PCB 설계에서 각 신호의 흐름 방향을 인지하고 고속 신호의 루프 면적을 줄이는 것을 의미합니다.

회로에서 가장 일반적으로 사용되는 루프는 디커플링 커패시터가 포함된 전원 루프입니다(그림 2 참조).

그림 2의 왼쪽 다이어그램처럼 디커플링 커패시터를 배치하면 상대적으로 큰 전류 루프가 생성되어 뚜렷한 EMI 현상이 발생합니다. 반대로 그림 2의 오른쪽 다이어그램처럼 디커플링 커패시터를 칩 바로 옆에 배치하면 극도로 작은 디커플링 루프가 생성되어 EMI 감소의 주요 기능을 합니다. 루프 감소를 위해 따라야 할 원칙은 다음과 같습니다:

1). 각 신호 선상의 두 점 사이에 오직 하나의 경로만 보장합니다.
2). 그라운드 플레인을 적용하여 신호 루프에 차단이 없도록 합니다.

c. PCB 그라운드 선

1). PCB 접지 시스템에서 디지털 그라운드, 아날로그 그라운드, 시스템 쉴드 그라운드의 차이를 명확히 해야 합니다. 마그네틱 비드와 커패시터로 디지털 그라운드와 아날로그 그라운드를 분리하고, 디지털 그라운드와 필드 그라운드는 직접 연결해야 합니다.
2). 가능하다면 PCB에서 그라운드 선을 넓혀야 합니다.
3). 그라운드 선으로 폐회로를 형성하여 내간섭 능력을 강화하고 시스템 간 전위 차이를 줄여야 합니다.

• 필터 설계

고속 PCB에서 전원 선과 신호 선에 필터 처리를 할 수 있습니다. 일반적인 조치로는 마그네틱 필터 부품 추가, EMI 필터, 디커플링 커패시터 등이 있습니다.

a. 디커플링 커패시터 선택

1). 회로에서 디커플링 커패시터는 전원을 평활하게 하고 내간섭 능력을 강화하는 데 도움이 됩니다. 일반적으로 세라믹 커패시터를 디커플링 커패시터로 선택하는데, 이는 높은 안정성, 높은 정밀도, 작은 부피, 낮은 ESR(등가 직렬 저항) 때문입니다. 회로 설계에서 저항 값은 1μF~100μF 범위에서 선택하며, 내압 능력은 회로에 따라 고려해야 합니다.
2). 디커플링 커패시터는 부품 바로 옆에 배치해야 합니다.

b. 마그네틱 부품 선택

마그네틱 부품은 인덕터와 마그네틱 비드로 분류됩니다. 일반적으로 인덕터는 전원 단자 끝에, 마그네틱 비드는 신호 선 사이에 사용합니다. 부품 선택 시 포화 파라미터를 고려해야 합니다. 마그네틱 부품이 포화되면 타버릴 수 있습니다. 또한 마그네틱 부품의 품질과 DCR 파라미터도 고려해야 합니다.

신호 선에서 일반적으로 사용되는 조치는 직렬 라인에 마그네틱 비드를 적용하여 EMI 능력을 강화하는 것입니다.

c. EMI 필터 선택

공통 모드 간섭이 심각한 영역은 전원 입력과 신호 선 출력 부분입니다. 공통 모드 간섭 방지를 위한 일반적인 조치로는 공통 모드 인덕터, 압저항, LC 회로, 전용 EMI 필터 추가 등이 있습니다. 고속 회로에서는 USB, HDMI 등 디지털 인터페이스의 고속 전송에 대한 EMI 문제를 고려해야 합니다.

• 신호 반사

신호 전송에서 소스 단자의 에너지가 로드 단자로 전달되기를 기대하므로 ZL = ZO여야 합니다. 서로 다르면 에너지의 일부가 반사됩니다.

선로의 전송 지연이 신호 턴오버 시간보다 상대적으로 길면 더 강한 신호가 소스 단자로 반사됩니다. 그러면 링잉이 발생할 때 상당한 양을 보상해야 합니다(그림 5 참조).

신호에 링잉이 발생하면 EMI가 최대 심각도에 도달합니다. PCB 설계에서 이러한 현상을 피하려면 표 1의 원칙을 따르세요.

신호 에지 시간 (ns)	신호 선 길이 (inch)
5	8.6
4	6.9
3	5.1
2	3.4
1	1.7

EMI 테스트

제품 설계 후 EMI 방지를 위한 많은 조치를 취했더라도 테스트를 수행하기 전까지는 문제를 발견할 수 없습니다. 그런 다음 수정을 통해 문제를 해결할 수 있습니다.

EMI 테스트에는 테스트 방법, 장비, 테스트 위치가 포함됩니다. 테스트 방법은 모든 항목을 참조하여 수행해야 합니다. 장비가 표준에 미달하면 분광계로 정성 테스트를 할 수 있습니다. 장비의 특정 EMI 값이 필요하면 전문 장비를 사용해야 합니다. 테스트 위치로는 암실이 가장 좋습니다.

참고 자료
• 엔지니어 친화적 PCB 레이아웃 가이드라인
• 임베디드 애플리케이션 시스템의 고속 PCB 설계 연구
• EMI 및 EMC 자동화 도구에 대한 가장 포괄적인 소개
• EMI를 극복하기 위한 자동차 회로 설계 5가지 팁
• PCBCart의 풀 피처 PCB 제조 서비스 - 다양한 부가 가치 옵션
• PCBCart의 고급 PCB 조립 서비스 - 1개부터 시작