회로 기판을 설계할 때는 PCB 신호 무결성, 즉 시스템 신호의 품질과 효율성을 중시합니다. 신호 무결성이 낮으면 데이터 오류, 전자기 간섭, 심지어 시스템 고장까지 발생할 수 있습니다. 그러나 장치의 속도가 빨라지고 크기가 작아짐에 따라 신호 무결성 문제는 최적화에 있어 매우 어려운 과제에 직면하게 되었습니다. 이 글에서는 PCB 신호 무결성에 영향을 미치는 주요 요인들을 살펴보고 설계 과정에서 신호 무결성을 향상시키는 방법에 대한 팁을 제공합니다. 먼저, PCB 설계에서 신호 무결성이 실제로 무엇을 의미하는지 알아야 합니다.
PCB의 신호 무결성이란 무엇인가?
인쇄 회로 기판의 신호 무결성은 PCB 기판을 통해 송수신되는 전기 신호의 품질을 의미합니다. 신호 무결성에는 전압, 시간, 파형 등 다양한 전기적 특성을 발신지에서 수신지까지 유지하는 신호의 능력이 포함됩니다. 신호 무결성은 데이터의 정확한 전송과 회로의 정상적인 작동을 보장하므로 매우 중요합니다. 고속 설계 및 대규모 신호 경로, 네트워크 또는 시스템에서는 신호 품질의 작은 저하도 시스템 성능에 상당한 영향을 미치므로 신호 무결성이 매우 중요합니다.
PCB 신호 무결성에 영향을 미치는 주요 요소
- 트레이스 임피던스
임피던스가 변하면 신호가 반사되어 감쇠될 수 있으므로, 트레이스 전체 길이에 걸쳐 임피던스가 일정해야 합니다. 신호 왜곡을 방지하기 위해 트레이스 폭과 간격과 같은 다른 매개변수도 동일하게 제어해야 합니다.
- 크로스 토크
크로스토크는 인접하거나 가까운 트레이스의 신호가 서로 결합되어 데이터를 손상시킬 수 있는 전자기 간섭의 한 형태입니다. 크로스토크의 심각도는 병렬로 연결된 트레이스의 길이, 트레이스 간 거리, 그리고 전체 PCB 레이아웃과 같은 요인에 따라 달라집니다.
- 신호 반사
반사는 트레이스의 임피던스와 부하 또는 소스의 임피던스가 달라 신호가 왜곡될 때 발생합니다. 이러한 불일치는 일반적으로 다음과 같은 이유로 발생합니다. 트레이스 폭, 유전율, 신호 경로의 갑작스러운 변화 등입니다.
- 전자기 간섭 (EMI)
외부 소스에서 PCB 신호로 유입되는 EMI로 인해 침입성 노이즈가 발생하기도 합니다. 특히 루프 영역이 넓거나 차폐가 불량한 곳에서는 외부 전자기장이 PCB 트레이스에 결합될 수 있습니다.
- Power Integrity
안정적인 전원 공급은 신호 품질에 필수적입니다. 전력 변동 시 생성된 신호와 전계가 중단될 수 있기 때문입니다. 전기 신호 전원 공급에 이상이 발생하면 고속 데이터 회선에서 잡음이 발생하거나 원하는 신호가 왜곡될 수 있습니다.
- PCB 소재
유전율과 손실탄젠트 의 PCB 재료 신호 속도와 감쇠 수준에 영향을 미칩니다. 그러나 재료 특성의 변동은 특히 고주파 응용 분야에서 문제를 야기합니다.
- 추적 길이 및 라우팅
차동 쌍과 기타 고속 신호의 트레이스가 동일한 길이를 가지면 수신기에 동시에 도착하여 스큐를 최소화할 수 있습니다. 트레이스 길이가 다르거나 각도가 급격하면 반사가 어려워지고 신호가 저하될 수 있습니다.
PCB 신호 무결성을 개선하기 위한 설계 팁
신호가 왜곡 없이 완벽히 보장되는 것은 불가능하지만, 일부 PCB 설계 팁은 잠재적인 신호 왜곡을 최소화하고 PCB의 신호 무결성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
적절한 레이어 스택업
신호층은 접지면에 가깝게 배치해야 임피던스 관리와 누화 방지에 도움이 됩니다. 일반적으로 고속 신호는 접지면 사이의 안쪽 층에 배치하여 간섭 신호로부터 절연을 확보해야 합니다.
추가 읽기 : PCB 스택업 설계 지침
추적 라우팅 기술
트레이스 길이는 신호 반사를 유발하므로 너무 길어서는 안 됩니다. 또한 급격한 굽힘은 피해야 합니다. 45도 급커브보다는 비교적 완만한 곡선이나 90도 각도로 굽은 것이 신호 손상이 적습니다. 또한, 차동 쌍은 임피던스를 유지하고 노이즈를 줄이기 위해 일정한 간격으로 배선해야 합니다.
접지 및 분리
견고한 접지면은 전자기 간섭(EMI)을 줄이고 신호에 대한 안정적인 레퍼런스를 제공하는 데 필수적입니다. 전원 핀 근처에 배치된 커패시터를 능숙하게 분리하면 전원 공급 라인의 노이즈를 '차단'하고 신호 전달 품질을 향상시킬 수 있습니다. 접지 연결은 저임피던스여야 하며 고속 신호에 대한 적절한 복귀 경로를 제공해야 합니다.
제어 된 임피던스
보장 제어된 임피던스 중요 신호 트레이스의 경우 신호 품질을 유지하는 데 도움이 됩니다. 여기에는 필요한 임피던스에 따라 일관된 트레이스 폭, 간격 및 유전체 두께를 계산하고 유지하는 것이 포함됩니다. 제작 전에 임피던스의 잠재적 문제를 파악하기 위해 임피던스 검증에 사용되는 시뮬레이션 도구를 사용하는 것이 좋습니다.
크로스토크 최소화
누화를 최소화하려면 신호 배선 사이에 충분한 거리를 두어야 하며, 특히 고속 신호가 관련된 경우에는 더욱 그렇습니다. 접지선이나 전원선을 사용하여 신호층을 분리하고, 고속 회선 사이에 가드 배선(접지 배선)을 사용하여 더욱 분리하는 것을 고려하십시오.
비아의 사용
고속 신호 경로에서는 비아 사용을 최소화하는 것이 좋습니다. 비아는 인덕턴스를 높이고 반사를 유발하기 때문입니다. 비아가 필요한 경우 다음을 사용하십시오. 백 드릴링 임피던스의 영향을 줄이기 위해 비아 배럴의 비활성화된 부분을 제거합니다.
PCB 신호 무결성을 테스트하는 방법은?
PCB의 신호 무결성을 테스트하는 방법은 신호 상태를 측정하는 다양한 도구와 방법을 사용하여 회로 초기 상태와 동일한지 확인하는 것입니다. TDR은 주로 임피던스 불연속으로 인한 반사를 식별하는 반면, VNA는 신호 전송 매개변수와 임피던스를 결정합니다. 신호 무결성은 오실로스코프 측정으로도 평가할 수 있는데, 아이 다이어그램은 여러 신호 사이클의 중첩을 기반으로 신호 품질을 설명합니다. 또한, 프런트엔드 단계와 백엔드 단계에서 널리 사용되는 도구에는 SPICE 및 HyperLynx와 같은 시뮬레이션 도구가 있습니다. 이러한 도구는 레이아웃 전/후 검증을 통해 물리적 테스트 전에 발생할 수 있는 신호 무결성 문제를 예측할 수 있도록 합니다. 이러한 도구는 서로 긴밀하게 작동하여 엔지니어가 PCB의 결함을 파악하고 수정하여 보드의 신뢰성을 보장할 수 있도록 지원합니다.
