PCB 간섭 완화 마스터하기: EMC 준수를 보장하는 전문가 가이드

PCB 간섭 분류

PCB 간섭은 세 가지 범주로 분류할 수 있습니다:

1. 레이아웃 간섭: PCB 상의 부품 배치가 부적절하여 발생하는 간섭
2. 적층 간섭: 비과학적인 설정으로 인한 노이즈 간섭
3. 배선 간섭: PCB 신호선, 전원선, 접지선 간의 거리, 선폭 또는 비과학적인 배선 방법으로 인한 간섭

PCB 간섭 분류에 따라 레이아웃 규칙, 적층 전략, 배선 규칙 관점에서 각각 억제 대책을 수립하여 PCB 간섭의 영향을 줄이거나 제거함으로써 EMC 설계 표준과의 호환성을 보장할 수 있습니다.

간섭 분류에 따른 해당 억제 대책

레이아웃 간섭 억제 대책

레이아웃 간섭을 방지하는 핵심은 합리적인 PCB 레이아웃이며, 다음 6가지 규칙을 준수해야 합니다:

1. 각 기능 모듈의 회로 위치는 신호 전류 위치에 따라 합리적으로 설정하고, 전류 흐름 방향을 가능한 한 동일하게 유지합니다.
2. 모듈 회로의 핵심 부품을 중앙에 배치하고 부품 간 리드 길이를 최대한 짧게 합니다. 특히 고주파 부품의 경우 더욱 그렇습니다.
3. 열에 민감한 요소와 칩을 발열 요소에서 멀리 떨어진 곳에 통합 배치합니다.
4. 커넥터 위치는 보드 상의 부품 위치에 따라 결정합니다. 커넥터는 PCB 한쪽에 배치하여 케이블이 양쪽에서 인출되지 않도록 하고 공통 모드(CM) 전류 복사를 줄입니다.
5. I/O 드라이버는 커넥터와 가깝게 배치하여 보드상에서 I/O 신호의 장거리 배선을 방지합니다.
6. 열에 민감한 요소들을 서로 너무 가깝게 배치하지 않으며, 입출력 부품도 이들로부터 멀리 떨어뜨려야 합니다.

적층 간섭 억제 대책

먼저 신호선 밀도, 전원 및 접지 분류 등 종합적인 요소를 고려하여 PCB 설계 정보를 파악하고, 회로 기능 구현을 보장하는 전원 및 레이어 수를 결정해야 합니다. 적층 전략의 품질은 그라운드 평면 또는 전원 평면의 과도 전압, 전원 및 신호의 전자기 차폐와 본질적으로 연관됩니다. 실제 적층 설계 경험을 바탕으로 적층 설계는 다음 규칙을 준수해야 합니다:

1. 그라운드 평면과 전원 평면은 인접해야 하며, 그 사이의 거리는 가능한 한 작아야 합니다.
2. 신호 평면은 그라운드 평면 또는 전원 평면과 밀접하게 인접해야 합니다. 단일 레이어든 다중 레이어든 상관없습니다.

단층 또는 양층 PCB 설계 과정에서 전원선과 신호선은 신중하게 설계해야 합니다. 전원 전류의 루프 면적을 줄이기 위해 접지선과 전원선은 서로 가깝고 평행하게 배치해야 합니다. 단층 PCB의 경우 중요 신호선 양쪽에 보호 접지선을 배치해야 합니다. 이는 신호 루프 면적을 줄이는 것과 동시에 신호선 간 크로스토크를 방지하기 위함입니다.

양층 PCB의 경우 보호 접지선을 설정하거나 중요 신호의 이미지 평면에 대면적 접지를 구현할 수 있습니다. PCB 제조와 조립 디버깅은 간단하고 편리하지만, 레퍼런스 평면 없이 루프 면적 증가로 복사가 늘어나므로 디지털 회로, 디지털-아날로그 회로 등 복잡한 PCB를 직접 시뮬레이션하는 것은 바람직하지 않습니다.

비용이 충분하다면 다층 PCB를 권장합니다. 다층 PCB 설계 시 다음 3가지 규칙을 따라야 합니다:

1. 강한 복사와 고감도 라인(버스, 클럭 라인 등) 같은 중요 신호선은 두 그라운드 평면 사이 또는 그라운드 평면과 밀접한 신호 평면에 배선해야 합니다. 이는 신호 루프 면적 축소, 복사 강도 감소, 내간섭성 강화에 유리합니다.
2. 가장자리 복사를 효과적으로 제어해야 합니다. 인접 그라운드 평면에 비해 전원 평면은 내부적으로 5~20H(H는 유전체 두께)만큼 축소해야 합니다.
3. 고주파 신호선이 하층과 상층 사이에 존재한다면, 상층과 그라운드 평면 사이에 배치하여 고주파 신호선의 공간 복사를 방지해야 합니다.

배선 간섭 억제 대책

간섭을 방지하기 위해 배선 시 다음 규칙을 준수해야 합니다:

1. 출력 단자와 입력 단자의 리드는 장거리 평행을 피해야 합니다. 접지선 추가 또는 선간 거리 확대로 평행 크로스토크를 줄일 수 있습니다.
2. 배선 폭은 급격히 변경되어서는 안 됩니다. 코너는 아크 형태이거나 135° 각도를 가져야 합니다.
3. 전류 루프의 외부 복사는 루프 면적, 전류, 신호 주파수의 증가(감소)에 따라 증가(감소)하므로, 전류 흐름 시 리드 루프 면적을 줄여야 합니다.
4. 리드 길이는 줄이고 폭은 늘려 리드 임피던스를 낮춰야 합니다.
5. 인접 라인 간 노이즈 커플링과 크로스토크를 최소화하기 위해 라인 간 격리 처리를 실시하여 배선 격리를 보장해야 합니다.
6. 분로 격리 핵심 신호를 설정하고 핵심 신호를 보호 회로로 보호해야 합니다.

또한 신호선, 전원선, 접지선을 배선할 때 각자의 특성과 기능에 따라 다음 배선 규칙을 따라야 합니다:

a. 공통 접지선은 PCB 가장자리에 메쉬 또는 루프 패턴으로 배치하고, 접지선은 가능한 한 두껍게 하며 더 많은 동박을 적용하여 차폐 효과를 강화해야 합니다. 아날로그 접지는 디지털 접지와 격리하고, 저주파 아날로그 접지에는 단일 병렬 연결을 적용합니다. 고주파 접지에는 다중 직렬 연결을 적용합니다. 실제 배선에서는 직렬과 병렬 연결을 조합할 수 있습니다.

b. 전원선 폭은 가능한 한 늘리고 루프 저항을 줄여 접지선과 전원선의 방향이 데이터 전송 방향과 동기화되도록 해야 합니다. 다층 PCB의 경우 전원선과 그라운드 평면 또는 전원 평면 간 거리를 줄여야 합니다. 각 기능 유닛에 독립적으로 전원을 공급하고, 공통 전원으로 공급되는 회로들은 서로 가깝고 호환되게 배치해야 합니다.

c. 신호선은 가능한 한 짧게 하여 간섭 신호 커플링 경로를 줄여야 합니다. 클럭 신호선과 민감 신호선을 먼저 배선하고, 다음으로 고속 신호선, 마지막으로 비중요 신호선을 배선합니다. 신호선 간 호환이 안 된다면 격리 처리를 실시하여 커플링 간섭 발생을 방지해야 합니다. 핵심 신호 배선은 패드와 관통 비아로 인한 분리 영역이나 레퍼런스 평면 공간을 넘어설 수 없습니다. 그렇지 않으면 신호 루프 면적이 증가합니다. 또한 가장자리 복사를 방지하기 위해 핵심 신호선과 레퍼런스 평면 간 거리는 3H(H는 핵심 신호선과 레퍼런스 평면 사이 높이) 미만이어서는 안 됩니다.

우리가 두려워해야 할 유일한 것은 두려움 그 자체입니다. 전자 엔지니어에게 PCB 설계 과정에서 간섭은 항상 실망을 안겨줄 수 있습니다. 그러나 간섭이 어디에서 기인하는지 알고 효과적인 대책을 취한다면 간섭은 확실히 줄어들 것이고 PCB 성능은 완전히 실현될 것입니다.

참고 자료

• PCB 설계에서 안티 인터페이스 능력 강화 방법
• PCB 안티 인터페이스 및 접지 전략 분석
• 엔지니어 친화적 PCB 레이아웃 가이드라인
• PCBCart 풀 피처 PCB 제조 서비스 - 다양한 부가 가치 옵션
• PCBCart 고급 PCB 조립 서비스 - 1개부터 시작