EMC 향상을 위한 효과적인 PCB 파티셔닝 규칙

EMC의 기본 원칙

EMC(Electro-Magnetic Compatibility, 전자파 적합성)는 전자기기가 동일한 전자기 환경에서 서로 간섭 없이 각자의 기능을 정상적으로 수행할 수 있는 공존 상태를 의미합니다. 즉, EMC는 전자기기들이 전체 시스템에서 서로 호환되어 독립적이고 정상적으로 작동할 수 있도록 합니다. EMC는 EMI(Electro-Magnetic Interference, 전자파 간섭)를 제어함으로써 달성되며, EMI 도입, 연구, 대책, 관리 등 일련의 연구와 함께 발전해 왔습니다.

EMC의 두 가지 기본 원칙

디지털 신호와 아날로그 신호 간의 간섭을 줄이기 위해 먼저 EMC의 두 가지 기본 원칙을 이해해야 합니다.

• 원칙 1: 회로 루프 면적은 최소화해야 합니다.
• 원칙 2: 시스템에는 단일 참조 평면만 적용해야 합니다.

원칙 1을 지키지 않아 신호가 큰 루프 면적을 통과하면 큰 루프 안테나가 생성됩니다. 원칙 2를 위반하여 두 개의 참조 평면이 존재하면 다이폴 안테나가 만들어집니다. 이 두 결과 모두 바람직하지 않습니다.

혼성 신호 PCB 파티셔닝 규칙과 적용

동일한 혼성 신호 보드에서 디지털 그라운드와 아날로그 그라운드를 분리하여 격리하는 것이 권장됩니다. 이 솔루션은 실행 가능하지만, 특히 대규모 시스템에서는 많은 잠재적 문제가 발생합니다. 핵심 문제는 디지털 그라운드와 아날로그 그라운드 분할 부분을 가로지르는 배선(트레이싱)을 설정할 수 없다는 점입니다. 분할 부분을 가로지르는 배선이 있으면 전자기 복사와 신호 크로스토크가 급격히 증가합니다. PCB 설계에서 가장 흔한 문제는 신호 라인이 분할된 그라운이나 전원을 가로지르면서 EMI가 발생하는 것입니다.

이 분할 방식에서는 신호 라인이 디지털 그라운드와 아날로그 그라운드 사이의 분할을 가로질러야 합니다. 그러면 신호 회로의 귀환 경로는 어떻게 될까요? 두 분할 그라운드가 한 지점에서 연결되어 있다고 가정하면, 그라운드 회로에 의해 큰 루프가 생성됩니다. 고주파 회로가 큰 루프를 통과하면 높은 그라운드 정전용량과 복사를 가진 큰 루프가 발생합니다. 저레벨 아날로그 회로가 큰 루프를 통과하면 외부 신호에 의해 쉽게 간섭받습니다. 최악의 상황은 분할 그라운드가 전원과 연결되어 매우 큰 회로 루프가 형성되는 경우입니다. 또한 아날로그 그라운드와 디지털 그라운드가 긴 리드로 연결되면 다이폴 안테나가 형성됩니다. 따라서 엔지니어는 혼성 신호 PCB 설계 최적화에서 귀환 회로의 경로와 방법을 알아야 합니다. 그러나 많은 엔지니어는 신호 회로의 흐르는 경로만 볼 뿐 회로의 구체적인 경로는 고려하지 않습니다.

그라운드 평면을 분할해야 하고 분할 부분을 가로지르는 배선이 필요한 경우, 두 분할 그라운드 사이에 단일 포인트 연결을 먼저 구현하고 브리지를 형성하여 각 신호 라인 아래에 직류 귀환 경로를 제공하고 작은 루프 면적을 형성할 수 있습니다(그림 2 참조).

광 절연 소자나 트랜스포머를 적용하여 신호가 분할 부분을 가로지르게 할 수도 있습니다. 광 절연 소자의 경우 광 신호가 분할을 통과하고, 트랜스포머의 경우 자기장이 분할을 통과합니다. 또 다른 적용 가능한 방법은 차동 신호를 사용하는 것입니다. 신호가 한 라인으로 흐르고 다른 신호 라인으로 귀환하므로 그라운드가 귀환 경로로 필요하지 않습니다.

분할 파티셔닝이 적용되는 세 가지 상황

• 상황 1: 환자와 연결된 회로와 시스템 사이에 낮은 누설 전류가 필요한 의료 장비
• 상황 2: 고잡음 및 고전력의 전자 기계 장치와 연결될 수 있는 산업 공정 제어 장비의 입력
• 상황 3: PCB 레이아웃이 특정 제약을 받는 경우

혼성 신호 PCB에는 일반적으로 독립적인 디지털 및 아날로그 전원이 있으며 분할된 전원 평면을 의존할 수 있고 또 의존해야 합니다. 그러나 전원 평면에 인접한 신호 라인은 전원 간의 분할을 가로지르지 않아야 하며, 이 분할을 가로지르는 모든 신호 라인은 넓은 면적의 도체 평면에 인접해야 합니다. 일부 상황에서는 아날로그 전원을 평면이 아닌 PCB 연결 와이어로 설계하여 전원 평면 분할 문제를 피할 수 있습니다.

혼성 신호 PCB의 그라운드 평면 레이아웃 방법과 적용

디지털 신호가 아날로그 신호에 남기는 간섭을 논의하려면 먼저 고주파 전류의 특성을 이해해야 합니다. 고주파 전류는 항상 임피던스가 최소인 경로(가장 낮은 인덕턴스)를 따라 흐르며 신호 바로 아래에 위치합니다. 따라서 귀환 경로는 이 평면이 전원 평면이든 그라운드 평면이든 상관없이 인접한 회로 평면을 따라 흐릅니다. 실제 작업에서는 그라운드 평면을 사용하는 경향이 있으며, 회로 보드를 아날로그 섹션과 디지털 섹션으로 파티셔닝합니다. 아날로그 신호는 모든 평면의 아날로그 섹션에 배치되고 디지털 신호는 디지털 회로 영역에 배치됩니다. 이렇게 하면 디지털 신호 귀환 전류가 아날로그 신호의 그라운드로 흐르지 않습니다. PCB에서 디지털 신호 레이아웃이 아날로그 섹션 위에 수행되거나 아날로그 신호 레이아웃이 디지털 섹션 위에 수행되면 디지털 신호가 아날로그 신호에 생성하는 간섭이 발생합니다.

이러한 문제의 발생은 분할 그라운드의 부재에서 기인하는 것이 아니라 디지털 신호의 부적절한 레이아웃에서 비롯됩니다. PCB 설계에서 그라운드 평면 적용, 디지털/아날로그 회로 파티셔닝, 합리적인 신호 레이아웃은 일반적으로 레이아웃과 파티셔닝의 어려운 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 또한 분할 그라운드로 인한 잠재적 문제를 방지할 수 있습니다. 따라서 컴포넌트 레이아웃과 파티셔닝은 PCB 설계 품질을 결정하는 핵심 요소가 됩니다. 레이아웃과 파티셔닝이 충분히 적절하면 디지털 그라운드의 전류가 회로 보드의 디지털 섹션으로 제한되어 아날로그 신호가 간섭받지 않습니다. 이러한 상황의 레이아웃은 레이아웃 규칙을 완전히 준수하는지 신중하게 검사하고 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 부적절한 신호 라인 레이아웃 하나만으로도 전체 회로 보드가 망가질 수 있습니다.

A/D 컨버터의 아날로그 그라운드와 디지털 그라운드 핀이 함께 연결될 때, 대부분의 A/D 컨버터 제조사는 AGND와 DGND 핀을 최소 리드로 저임피던스 같은 그라운드에 연결할 것을 제안합니다. 그 이유는 이 핀들이 대부분의 A/D 컨버버터 IC 내부에서 연결되어 있지 않으며, DGND에 연결된 외부 임피던스가 기생 정전용량을 통해 디지털 노이즈를 IC 내부의 아날로그 회로에 결합시키기 때문입니다. 따라서 A/D 컨버터의 AGND와 DGND 핀 모두 아날로그 그라운드에 연결해야 합니다. 하지만 이로 인해 디지털 신호의 디커플링 커패시터 그라운드 단자를 아날로그 그라운드 또는 디지털 그라운드 중 어디에 연결해야 하는지 문제가 발생합니다.

단일 A/D 컨버터가 있는 시스템에서는 위 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다. 그라운드가 분리된 상태에서 아날로그 그라운드 섹션과 디지털 그라운드 섹션을 A/D 컨버터 아래에서 연결합니다. 이 방법을 사용할 때 두 그라운드 사이의 브리지는 IC 너비만큼 넓어야 하며 어떤 신호 라인도 분할을 가로지르지 않아야 합니다.

예를 들어 10개와 같은 여러 A/D 컨버터가 있는 시스템에서는 어떻게 연결해야 할까요? 위에서 소개한 것과 같은 솔루션, 즉 아날로그 그라운드와 디지털 그라운드를 A/D 컨버터 아래에서 연결한다면 다중 포인트 연결이 발생하여 아날로그 그라운드와 디지털 그라운드 사이의 격리가 무의미해집니다. 이렇게 연결하지 않으면 제조사의 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 최적의 해결책은 아날로그 섹션과 디지털 섹션으로 나뉜 균일 그라운드를 적용하는 것입니다. 이러한 유형의 레이아웃은 IC 제조사가 요구하는 아날로그/디지털 그라운드 간의 저임피던스 요건을 충족할 뿐만 아니라 루프 안테나나 다이폴 안테나 같은 EMC 문제도 방지합니다.

엔지니어가 PCB 설계에서 균일 그라운드 적용에 의문이 있다면 분할 그라운드 평면 방법을 기반으로 레이아웃을 구현할 수 있습니다. 설계 과정에서 보드는 0.5인치 미만의 점퍼 와이어나 0옴 저항으로 분할 그라운드를 연결할 수 있도록 접근 가능해야 합니다. 디지털 신호 라인이 아날로그 섹션 위에 배치되지 않고 그 반대의 경우도 없도록 파티셔닝과 레이아웃에 많은 주의를 기울여야 합니다. 또한 어떤 신호 라인도 그라운드 분할이나 전원을 격리하는 분할을 가로지르지 않아야 합니다. PCB의 기능과 EMC를 테스트하기 위해 두 그라운드를 0옴 저항이나 점퍼 와이어로 연결한 다음 보드의 기능과 EMC를 다시 테스트합니다. 결과 비교에 따르면 모든 경우에서 균일 그라운드 솔루션이 기능과 EMC 측면에서 분할 그라운드 솔루션보다 우수합니다.

혼성 신호 PCB 설계는 복잡한 과정입니다. PCB는 독립적인 아날로그 섹션과 디지털 섹션으로 파티셔닝되어야 하며 A/D 컨버터는 섹션 사이에 배치되어야 합니다. 아날로그와 디지털 전원을 분리하기 위해 격리된 전원 평면 사이의 분할을 가로지르지 않아야 하며, 가로질러야 하는 신호 라인은 넓은 면적의 회로 층에 배치되어야 합니다. 귀환 경로 전류가 어디로 어떻게 흐르는지 분석하여 적절한 컴포넌트 레이아웃과 올바른 레이아웃 규칙을 준수해야 합니다. 회로 보드의 모든 레이어에서 디지털 신호는 디지털 섹션에만, 아날로그 신호는 아날로그 섹션에만 배치할 수 있습니다.

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