접지 트레이스와 접지면에는 임피던스가 있습니다. 접지 경로를 통해 전류가 흐르면 해당 경로에 전압이 나타납니다. 이 전압이 노이즈입니다. 노이즈 전압은 시스템 안정성을 해칠 수 있는 간섭원 중 하나입니다. 따라서 접지 노이즈를 낮추려면 먼저 접지 임피던스를 낮춰야 합니다.
모두가 알다시피 접지는 전류가 돌아가는 경로입니다. 모든 신호의 경우 신호는 임피던스가 가장 낮은 접지로 돌아가는 경로를 찾아야 합니다. 따라서 이 복귀 경로를 처리하는 방법은 매우 중요합니다.
1 - 반환 경로 크기와 모양이 중요한 이유
첫째, 방사 공식을 통해 방사 강도는 루프 면적에 비례한다는 것을 알 수 있습니다. 즉, 리턴 경로가 길고 루프가 클수록 더 많은 방사선을 방출하여 다른 회로를 방해합니다. 따라서 PCB를 레이아웃할 때는 전원 및 신호 리턴 루프를 가능한 한 작게 만들어야 합니다.
둘째, 고속 신호의 경우 좋은 리턴 경로를 제공하면 신호 품질을 유지하는 데 도움이 됩니다. 이는 PCB에서 전송 라인의 특성 임피던스가 일반적으로 접지면(또는 전원면)을 기준으로 계산되기 때문입니다. 고속 트레이스 근처에 연속 접지면이 있는 경우 트레이스의 임피던스는 일정하게 유지됩니다. 트레이스의 한 섹션에 근처에 접지 기준이 없는 경우 임피던스가 변경됩니다. 이러한 임피던스 불연속성은 신호 무결성을 손상시킵니다. 따라서 라우팅할 때는 접지면에 가까운 레이어에 고속 트레이스를 배치하세요. 또는 고속 트레이스 옆에 하나 또는 두 개의 접지 트레이스를 병렬로 실행합니다. 이러한 접지 트레이스는 방패처럼 작동하며 가까운 리턴 경로를 제공합니다.
셋째, 가능하면 분할된 전원 플레인을 가로질러 신호를 라우팅하지 마세요. 신호가 서로 다른 전력 또는 접지 분할을 가로지르면 신호의 복귀 경로가 길어지고 간섭을 받을 수 있기 때문입니다. 단, 저속 신호의 경우 분할로 인한 간섭이 적을 수 있으므로 분할을 교차하는 것이 엄격하게 금지되지는 않습니다. 경우 고속 신호에 주의하고 가능하면 분할을 교차하지 않도록 주의해야 합니다. 전원 플레인의 라우팅을 변경하여 도움을 받을 수도 있습니다.
많은 전자기 간섭 문제는 접지 설계에서 비롯됩니다. 접지 전위는 전체 회로의 기준입니다. 접지가 안정적이지 않으면 회로가 고장날 수 있습니다. 접지 설계의 목표는 접지 전위를 가능한 한 안정적으로 유지하여 간섭을 제거하는 것입니다.
신호 접지 방법은 일반적으로 플로팅 접지, 단일 지점 접지, 다중 지점 접지, 혼합 접지의 네 가지 유형으로 나뉩니다.
2 - 접지 유형
A. 플로팅 그라운드
목적: 접지 루프를 유발할 수 있는 공통 도체로부터 회로 또는 디바이스를 분리하세요. 또한 플로팅 접지를 사용하면 전위가 다른 회로를 더 쉽게 페어링할 수 있습니다.
단점: 정전기가 쉽게 축적되어 강한 정전기 방전(ESD)을 일으킬 수 있습니다.
타협: 방전 저항을 추가하여 충전을 차단합니다.
B. 단일 지점 접지
단일 접지란 모든 회로의 접지가 같은 지점에서 공통 접지에 연결되는 것을 의미합니다. 이는 직렬 단일 지점과 병렬 단일 지점으로 나눌 수 있습니다. 고전력 회로와 저전력 회로가 혼합된 시스템에서는 단일 지점 접지를 사용하지 마세요. 고전력 부품의 접지 전류가 저전력 부품에 영향을 미치기 때문입니다. 또한 가장 민감한 회로는 공통 지점에 배치해야 하는데, 그 지점이 가장 안정적인 전위를 갖기 때문입니다.
싱글 포인트 접지의 가장 큰 장점은 접지 루프가 없으므로 설계가 비교적 간단하다는 점입니다. 하지만 접지 리드가 길고 접지 임피던스가 클 수 있습니다.
단일 지점 접지는 두 가지 방법으로 수행할 수 있습니다:
- 시리즈 싱글 포인트 접지 - 이것은 간단합니다. 하지만 공유 접지 도체가 있기 때문에 공통 접지 임피던스가 존재합니다. 직렬로 연결된 회로의 전력 레벨이 매우 다르면 서로 강하게 간섭을 일으킵니다.
- 병렬 단일 포인트 접지 - 각 회로는 접지선을 공통 지점으로 개별적으로 다시 연결합니다. 이렇게 하면 공통 접지에서의 결합을 방지할 수 있습니다. 하지만 많은 접지선이 필요하고 많은 경우에 실용적이지 않습니다.
실제 설계에서는 직렬과 병렬을 모두 사용하는 혼합 단일 포인트 접근 방식을 사용할 수 있습니다. 서로 간섭하지 않는 회로를 같은 레이어에 배치합니다. 서로 간섭하기 쉬운 회로는 다른 레이어에 배치하세요. 그런 다음 접지 레이어를 공통 지점에서 병렬로 연결합니다. (원문은 여기에 있는 그림을 참조하세요.)
사용: 단일 지점 접지는 낮은 작동 주파수(1MHz 미만)에 적합합니다.
단점: 빈도가 높은 상황에는 적합하지 않습니다.
단일 지점 접지는 접지 리드가 길고 해당 리드의 임피던스를 피할 수 없기 때문에 고주파 회로에는 적합하지 않습니다. 고주파의 경우 다지점 접지를 고려하세요.
C. 다지점 접지
높은 작동 주파수(> 30MHz)에는 멀티포인트 접지를 사용하세요. 멀티포인트 방식에서는 개별 접지 리턴 루프를 회로의 각 부분이 사용할 수 있는 하나의 접지면으로 대체합니다. 접지 리드의 유도 리액턴스는 주파수와 리드 길이에 따라 증가합니다. 고주파에서는 공통 접지 임피던스가 증가합니다. 따라서 접지 리드 길이를 가능한 한 짧게 유지해야 합니다.
다점 접지를 사용할 때는 가장 가까운 저임피던스 접지 표면을 찾아 연결하세요. 고주파 디지털 회로는 병렬 접지가 필요합니다. 이를 위한 간단한 방법은 접지 비아를 사용하는 것입니다. 회로가 고주파에서 작동할 때 고주파 신호가 접지 트레이스를 따라 이동하여 주변 회로에 영향을 미친다고 상상해 보세요. 이것은 매우 나쁠 수 있습니다. 따라서 모든 회로는 반드시 근처의 접지로 돌아가야 합니다. 접지 트레이스는 짧아야 합니다. 이것이 바로 멀티포인트 접지가 존재하는 이유입니다.
멀티포인트 접지의 목표는 접지 임피던스를 낮추는 것입니다. 고주파 회로에서 임피던스를 낮추려면 접지 저항을 낮추고 접지 인덕턴스를 낮추는 두 가지를 고려하세요.
방법:
- 낮은 도체 저항. 저항과 단면적의 관계를 통해 도체 면적을 늘리면 DC 저항이 낮아진다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 고주파에서는 스킨 효과로 인해 전류가 도체 표면 근처로 흐르기 때문에 단순히 단면을 늘리는 것만으로는 효과가 제한적입니다. 은은 다른 많은 금속보다 전도성이 우수하고 도체 저항을 줄일 수 있기 때문에 도체를 은으로 도금하는 것을 고려할 수 있습니다.
- 인덕턴스 감소. 가장 좋은 방법은 접지면적을 늘리는 것입니다. 실제로 접지 리드가 짧고 접지면적이 넓을수록 간섭 방지 성능이 향상됩니다.
이쯤 되면 고주파 회로가 무엇인지 궁금해하는 분들도 계실 것입니다. 양지선 교수의 저서에 따르면 전자파 적합성(EMC) 기술, 일반적으로 1MHz 미만의 회로는 저주파이며 단일 접지를 사용할 수 있습니다. 10MHz 이상의 회로는 고주파이므로 다점 접지를 사용해야 합니다. 가장 긴 접지 리드가 1MHz 또는 10MHz에서 파장의 1/20 미만인 경우에도 단일 지점 접지가 작동할 수 있습니다. 그렇지 않으면 멀티포인트 접지를 사용하세요.
D. 혼합 접지
회로에 고주파 및 저주파 신호가 모두 있는 경우 혼합 접지를 선택하는 것이 좋습니다. (원문은 여기에서 다른 그림을 참조했습니다.)
그림과 표시된 두 가지 구조를 보세요. 첫 번째 구조의 경우 대부분 저주파 환경에서 작동한다고 가정합니다. 용량성 리액턴스 공식 Zc=12πfCZ_c = \frac{1}{2\pi f C}Zc=2πfC1에서 저주파에서는 용량성 리액턴스가 크고 고주파에서는 작다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 이 배선에서는 접지 링크가 저주파에서는 개방되어 있고 고주파에서는 거의 닫혀 있습니다. 이 배선은 접지 루프 간섭을 피할 수 있습니다.
두 번째 구조의 경우 주로 고주파 환경에서 작동한다고 가정합니다. 유도 리액턴스 공식 ZL=2πfLZ_L = 2\pi f LZL=2πfL에서 유도 리액턴스는 저주파에서 작고 고주파에서 크다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 이 배선에서 접지 링크는 저주파에서는 도체처럼 동작하고 고주파에서는 개방됩니다. 이 배선은 접지 루프 전류를 피할 수 있습니다.
3 - 다양한 접지를 연결하는 방법
전체 평면을 공통 접지로 사용하지 않고 모듈에 두 개의 접지망이 있는 경우 접지면을 분할해야 합니다. 이는 종종 전원 플레인과 상호 작용합니다. 접지를 연결하는 방법은 다음과 같습니다:
- 근거지 사이의 일반 추적. 이를 통해 중저주파 신호에 안정적인 저임피던스 연결을 제공합니다.
- 접지 사이의 높은 저항. 저항이 크면 저항에 전압이 걸리면 미세한 누설 전류가 발생할 수 있습니다. 이렇게 하면 전위차가 0이 될 때까지 천천히 전하가 유출됩니다. 이 저항을 사용하여 떠다니는 접지를 부드럽게 묶습니다.
- 접지 사이의 커패시터. 커패시터는 DC는 차단하지만 AC는 통과합니다. DC를 차단하면서 고주파 노이즈를 통과시키려면 플로팅 접지 시스템에서 이 커패시터를 사용하세요.
- 접지 사이의 페라이트 비드(자석 비드). 페라이트 비드는 주파수 종속 저항기처럼 작동합니다. 고주파에 대해 저항성을 보입니다. 작은 빠른 전류 스파이크가 있는 약한 신호 접지에 사용합니다.
- 접지 사이의 인덕터. 인덕터는 급격한 변화에 저항합니다. 피크를 부드럽게 하고 밸리를 채울 수 있습니다. 전류 변동이 큰 접지 사이에 사용하세요.
- 접지 사이의 작은 저항기. 작은 저항은 빠른 접지 전류 변화를 늦추기 위해 댐핑을 추가합니다. 전류가 급격하게 변할 때 이 저항은 상승 에지를 덜 가파르게 만듭니다.
이러한 모든 선택 사항은 그라운드 간에 소음이 전달되는 방식을 제어할 수 있는 방법을 제공합니다.
4 - 아날로그 접지 및 디지털 접지
아날로그 신호와 디지털 신호는 모두 접지로 되돌아가야 합니다. 디지털 신호는 빠르게 변합니다. 디지털 접지에서는 많은 노이즈가 발생합니다. 아날로그 신호가 제대로 작동하려면 깨끗한 접지 기준이 필요합니다. 아날로그와 디지털 접지가 섞이면 디지털 접지의 노이즈가 아날로그 신호에 영향을 미칩니다.
일반적으로 아날로그와 디지털 접지를 분리합니다. 그런 다음 얇은 트레이스 또는 단일 지점으로 연결합니다. 주요 아이디어는 디지털 접지 노이즈가 아날로그 접지로 유입되는 것을 막는 것입니다.
5 - 스타 그라운드
스타 접지의 이론은 회로에 모든 전압의 기준이 되는 한 지점이 있다는 것입니다. 이것이 바로 스타 포인트입니다. 많은 전선이 하나의 공통 지점에서 별의 광선처럼 방사형 패턴으로 이어진다고 상상해 보세요. 별점은 보드에서 별처럼 보이지 않을 수도 있습니다. 접지면의 한 점일 수도 있습니다. 스타 접지 시스템의 주요 특징은 모든 전압이 불확실한 “접지” 기준이 아니라 접지 네트워크의 동일한 지점을 기준으로 측정된다는 것입니다.
6 - 실드를 접지하는 방법
차폐 케이블의 실드와 케이블 드레인 와이어는 신호 접지가 아닌 보드 인터페이스 접지에 연결해야 합니다. 신호 접지는 종종 많은 노이즈 전압을 전달하기 때문입니다. 실드가 노이즈가 많은 신호 접지에 연결되면 노이즈 전압이 실드의 공통 모드 전류를 구동하여 외부 간섭을 유발합니다. 잘못된 케이블 설계와 잘못된 실드 접지는 종종 EMI의 가장 큰 원인입니다.
요약
실제로는 사용 환경에 맞는 접지 방법을 선택하세요. 좋은 선택은 간섭을 피하고 최상의 회로 성능을 제공할 수 있습니다.
- 방사선을 줄이려면 리턴 루프를 작게 유지하세요.
- 안정적인 임피던스를 위해 연속적인 접지면 옆에 고속 트레이스를 유지합니다.
- 가능하면 파워 플레인 분할을 교차하지 마세요.
- 저주파 시스템(1MHz 미만)의 경우 단일 지점 접지가 종종 작동합니다.
- 고주파 시스템(> 10MHz)의 경우 반환 영역이 많은 다지점 접지 및 짧은 접지 경로를 사용합니다.
- 혼합 시스템의 경우 커패시터, 인덕터, 저항기, 페라이트 비드 또는 소형 트레이스와 함께 하이브리드 방식을 사용하여 커플링을 제어합니다.
- 아날로그와 디지털 접지를 분리하고 조심스럽게 연결하세요.
- 케이블 쉴드는 잡음이 많은 신호 접지가 아닌 커넥터 접지 또는 섀시 접지에 묶어야 합니다.
이러한 단계는 접지 임피던스를 낮추고 접지 노이즈를 줄여 시스템이 더욱 안정적이고 신뢰할 수 있도록 도와줍니다.
