고속 PCB 레이아웃을 위한 효과적인 신호 반사 억제

전자 과학 기술의 발전으로 IC 칩으로 구성된 전자 시스템이 대규모화, 소형화, 고속화 방향으로 빠르게 발전하고 있습니다. 동시에 전자 시스템 부피 축소로 회로 라우팅 밀도가 증가하고 신호 주파수가 끊임없이 상승하며 신호 에지 턴오버 시간이 짧아지는 문제가 발생합니다. 신호 상호연결 지연이 신호 턴오버 시간보다 10% 이상 크면 보드 상 신호 선로가 전송선 효과를 나타내며, 신호 반사와 크로스토크 등 일련의 문제가 점점 더 두드러집니다. 고속 문제의 출현은 하드웨어 설계에 더 큰 도전을 가져오며, 논리적 관점에서 올바르다고 여겨지는 일부 설계가 부적절하게 처리되면 전체 설계가 실패할 수 있습니다. 따라서 고속 회로 문제를 해결하는 방법이 시스템 성공을 결정하는 필수 요소 중 하나가 되었습니다.

반사 원리와 영향

• 반사 원리

반사의 직접 원인은 전송선 임피던스 불일치로 인한 신호 에너지의 불완전한 흡수입니다. 반사 문제는 단일 네트워크의 신호 품질을 반영하며, 단일 네트워크의 신호 경로와 복귀 경로의 물리적 특성과 관련됩니다. 일반적으로 PCB 라우팅의 물리적 특성이 전송선에 큰 영향을 미치며, 주로 라우팅 재료, 라우팅 폭, 라우팅 두께, 다른 라우팅 평면 및 평면과의 거리, 인접 재료의 유전율이 포함됩니다. 신호가 단일 네트워크를 따라 전송될 때 상호연결선의 과도 임피던스 변화가 발생합니다. 신호가 느끼는 상호연결 임피던스가 변하지 않으면 비왜곡이 유지됩니다. 신호가 느끼는 상호연결 임피던스가 계속 변하면 왜곡이 발생하고 변화점에서 반사가 생성됩니다. 반사 신호는 신호 방출 단자로 다시 전송되고 다시 반사되어 에너지가 감소함에 따라 줄어듭니다. 최종적으로 신호 전압과 전류가 안정됩니다.

• 반사 계산

신호가 전송선을 따라 앞으로 전송될 때 언제든 과도 임피던스를 느낍니다. 신호가 느끼는 임피던스가 일정하면 정상적으로 앞으로 전송됩니다. 느껴지는 임피던스가 변하는 한 원인에 관계없이 항상 반사가 발생합니다. 반사량을 측정하는 중요한 지표는 반사 계수로, 반사 전압과 원본 신호 전압의 비율을 나타냅니다. 반사 계수는 공식 로 정의할 수 있습니다.

이 공식에서 Z₁은 변화 후 임피던스, Z₀는 변화 전 임피던스를 나타냅니다. PCB 라우팅 특성 임피던스가 50Ω라고 가정합니다. 전송 과정에서 150Ω 저항을 만나면 반사 계수는 (150-50)/(150+50) = 1/2입니다(이 상황에서 기생 커패시턴스와 인덕턴스 영향은 고려하지 않으며 저항을 이상적인 순수 저항으로 간주). 이 결과는 원본 신호 에너지의 절반이 소스 단자로 다시 전송됨을 의미합니다. 전송 신호 전압이 5V라면 반사 전압은 2.5V입니다.

• 반사 영향

1). 반사로 인한 신호 왜곡

리드가 올바르게 종단되지 않으면 구동 단자의 신호 펄스가 수신 단자에서 반사됩니다. 반사 신호가 충분히 강하면 스택 파형이 로직 상태를 변경하여 예기치 않은 효과를 일으키고 신호 윤곽 왜곡을 유발합니다. 왜곡이 너무 뚜렷하면 수많은 오류가 발생하여 설계 실패로 이어질 수 있습니다. 동시에 왜곡된 신호는 노이즈에 더 민감해져 설계 실패를 초래합니다.

2). 반사로 인한 오버슈팅과 언더슈팅

오버슈팅은 첫 번째 피크 값 또는 밸리 값이 전압을 초과하는 것을 말합니다. 라이징 에지에서는 첫 번째 피크 값이 최고 전압을 초과하고, 폴링 에지에서는 첫 번째 밸리 값이 최저 전압을 초과합니다. 과도한 오버슈팅은 보호 다이오드를 파괴하여 조기 고장을 유발할 수 있습니다. 언더슈팅은 다음 밸리 값 또는 피크 값이 허위 클럭 신호를 생성하여 시스템의 오독 및 오기록 작업을 유발할 수 있습니다.

3). 발진

발진도 반사로 인한 증상입니다. 오버슈팅과 동일한 특성을 가지며, 한 클럭 주기 내에 반복되는 오버슈팅과 언더슈팅을 발진이라고 합니다. 이는 반사에서 발생한 잉여 에너지가 회로에서 제때 흡수되지 못한 결과입니다.

반사 억제 방법

반사를 유발하는 주요 요소에는 라우팅 기하학적 형태(폭, 길이, 회전 각도), 동일 네트워크 라우팅 평면 전환, 커넥터 통과, 전원-그라운드 간 불연속성, 잘못된 토폴로지 구조, 네트워크 종단 불일치 등이 있습니다. 주요 억제 방법은 다음과 같습니다.

• 시스템 주파수 상승

가능한 상황에서 신호 에지 변환율을 낮추어 전송선 반사가 신호와 전송선 연결 전에 안정 상태에 도달하도록 합니다. 한편으로는 설계 규칙을 충족해야 하고, 다른 한편으로는 저속 부품을 선택하여 서로 다른 유형 신호 간 혼합을 피해야 합니다.

• 신호 처리 최적화

시간 시퀀싱에 대한 엄격한 요구사항으로 인해 고속 문제를 일으킬 수 있는 부품과 노드를 사전에 결정해야 합니다. 부품 레이아웃과 라우팅에 관한 모든 요구사항을 조정하고 최종적으로 신호 무결성 설계 지수를 제어합니다. 주요 처리 방법은 다음과 같습니다:
1). 비교적 얇은 PCB 보드를 적용하여 비아 기생 파라미터를 감소시킵니다.
2). 레이어 수를 적절히 배열합니다. 중간 레이어를 충분히 활용하여 실드를 설정하여 인접 접지를 더 잘 구현함으로써 기생 인덕턴스를 효과적으로 줄이고 신호 전송 길이를 단축하며 신호 간 크로스토크를 크게 증가시킵니다.
3). PCB 상 신호 선의 기하학적 형태를 제어하여 턴을 줄이고 라우팅 임피던스 불연속 포인트를 최소화합니다. 특히 고주파 회로 라우팅에서는 완전히 직선을 적용해야 합니다. 턴이 필요할 때는 브로큰 라인이나 45° 아크를 적용하여 고주파 신호 외부 복사와 고주파 신호 간 결합을 감소시킵니다.
4). 중요 신호 선 라우팅을 동일 평면에 배치하여 불필요한 비아를 줄입니다.
5). 평면 무결성을 보장하여 신호 선에 저임피던스 리플로 경로를 제공합니다. 이는 공통 모드 임피던스 결합과 공통 모드 스위칭 노이즈를 줄여 전원 시스템 관련 신호 무결성 문제를 감소시키거나 제거하는 것을 목표로 합니다.
6). 올바른 라우팅 토폴로지 구조 적용.

라우팅 토폴로지 구조는 신호 선의 라우팅 순서와 구조를 말합니다. 실제 회로에서 단일 구동 소스가 다중 로드를 구동하는 상황이 항상 존재하며 구동 소스와 로드는 구조 토폴로지를 따릅니다. 서로 다른 토폴로지 구조는 신호에 분명히 다른 영향을 미칩니다. 일반적으로 PCB 라우팅에서 두 가지 기본 토폴로지 구조를 적용합니다: 데이지 체인과 스타 토폴로지(그림 1 참조).

a. 데이지 체인

라우팅이 구동 단자에서 시작하여 각 수신 단자에 순차적으로 도달합니다. 직렬 저항을 적용하여 신호 특성을 변경하는 경우, 직렬 저항 위치는 구동 단자 가까이에 있어야 합니다. 고차 고조파 간섭 제어 측면에서 데이지 체인이 최상의 라우팅 효과를 보입니다. 그러나 이 라우팅 유형은 라우터빌리티가 가장 낮으며 100% 미만입니다. 실제 설계에서 데이지 체인의 분기 길이는 가능한 한 짧게 해야 합니다. 이 토폴로지 구조의 라우팅 공간이 작고 단일 저항으로 종단 호환이 가능합니다. 또한 이 라우팅 구조는 서로 다른 신호 수신 단자에서 신호 수신이 Out-of-sync 상태가 되게 합니다.

b. 스타 토폴로지

이 라우팅 유형은 클럭 신호의 비동기화를 효과적으로 방지하지만, 각 분기에 종단 저항이 필요하다는 단점이 있습니다. 종단 저항 값은 인라인 특성 임피던스와 호환되어야 합니다. 수신 단자에서 서로 다른 신호가 동시 요구사항을 가진 시스템에 스타 토폴로지가 가장 적합합니다.

• 종단 방법

신호 전송 경로의 특성 임피던스를 일정하게 유지해야 하며, 즉 반사 계수가 0이어서 전송 경로에 반사가 없어야 합니다. 이 상황을 임피던스 매칭이라고 합니다. 이때 신호는 이상적으로 그라운드에서 단자로 전송됩니다. 일반적으로 전송선 길이는 조건 과 호환되어야 합니다.

이 부등식에서 L은 전송선 길이, tᵣ은 소스 단자 신호 라이징 타임, tₚd₁은 전송선 단위 길이당 로드 전송 지연을 나타냅니다. 반사가 원단자에 도달하기 전에 집적 레벨 전송이 발생하면 종단 매칭 기술을 적용해야 합니다. 전송선 종단 연결 원칙에는: 로드 반사 계수 또는 소스 반사 계수 중 하나가 0이면 반사가 제거됩니다. 일반적으로 두 전략을 적용합니다: 소스 임피던스를 전송선 임피던스와 호환되게 하는 소스 종단, 로드 임피던스를 전송선 임피던스와 호환되게 하는 엔드 종단.

1). 소스 종단

소스 종단은 주로 근소스 단자 인근 전송선에 직렬 저항을 꽂아 구현하는 직렬 종단 방법입니다. 직렬 저항 값과 구동 단자 저항 값의 합이 전송선 저항 값과 같아야 합니다. 직렬 종단 원리는 로드 단자에서 반사된 전압 제거가 전송선의 2차 반사를 멈추는 것입니다(그림 2 참조).

2). 엔드 종단

엔드 종단의 주요 원리는 로드 단자 인근에 풀업 또는 풀다운 저항을 추가하여 임피던스 매칭을 구현하는 것입니다. 엔드 종단은 일반적으로 단일 저항 병렬 종단, RC 종단, 테브난 종단, 쇼트키 다이오드 종단으로 나눌 수 있습니다(그림 3 참조).

단일 저항 병렬 종단에서 저항 값은 전송선 임피던스와 같습니다. 테브난 종단의 두 저항 값은 Z₀ = R₁R₂/(R₁+R₂) 공식을 따라야 합니다. RC 종단의 커패시턴스 값은 C = 3T/Z₀ 공식을 따르며, 여기서 T는 신호 라이징 타임, Z₀는 전송선 임피던스를 나타냅니다.

시스템 설계 관점에서 병렬 종단을 첫 번째로 선택해야 합니다. 다른 세 종단 방법에 비해 노이즈, EMI, RFI 감소에 가장 효과적이기 때문입니다. 실제 상황에 따라 적절한 종단 방법을 선택하고, 필요 시 시뮬레이션 설계를 구현해야 합니다.

결론

고속 PCB 설계에서 성공 전제 조건에는 합리적인 레이아웃과 라우팅, 불필요한 턴과 비아 회피, 임피던스 연속성, 통합된 신호 레퍼런스 플레인, 우수한 접지가 포함됩니다. 설계와 신호 무결성을 최적화하고 더 높은 전자기 호환성을 얻기 위해 설계 시뮬레이션 검증을 구현해야 합니다. 이는 설계자가 설계 결함을 제때 처리하고 PCB 설계의 단점을 보완하는 데 도움이 됩니다.

참고 자료
• 고속 레이아웃 팁
• 신호 무결성 고속 PCB 설계 과제와 해결책
• 고속 디지털-아날로그 혼합 회로의 신호 무결성 분석과 PCB 설계
• PCBCart의 풀 피처 PCB 제조 서비스 - 다양한 부가 가치 옵션
• PCBCart의 고급 PCB 조립 서비스 - 1개부터 시작