고속 PCB 설계
고속 PCB 설계는 레이아웃, 패키징, 인터커넥트, 레이어 스택업 등 PCB의 물리적 특성에 의해 신호 무결성이 영향을 받기 시작하는 모든 설계를 의미합니다.
최신 전자기기는 에지 속도와 클럭 속도를 더 높입니다. 오늘날 많은 디지털 시스템의 신호 주파수는 100MHz 이상입니다. 이러한 속도에서는 전송 라인 효과가 PCB 트레이스에 나타나고 시스템 동작에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 고속을 위한 PCB 설계 프로세스는 고속으로 인해 발생하는 신호 무결성 문제를 해결하는 과정입니다. 사람들은 “고속 PCB”라는 용어를 많이 사용하는데, 고속 PCB 기판이란 정확히 무엇일까요?
디지털 회로의 속도가 약 45~50MHz에 도달하거나 이를 초과하고 해당 속도의 신호가 시스템의 1/3 이상을 차지할 때 고속이라고 보는 견해가 있습니다. 실제로 신호의 고조파 주파수는 기본 주파수보다 높습니다. 빠른 변화(상승 및 하강 에지 또는 전환)는 예기치 않은 전송 결과를 초래합니다. 일반적으로 회선의 전파 지연이 디지털 신호 상승 시간의 절반보다 크면 해당 신호는 고속 신호로 취급되며 전송 라인 효과가 중요합니다.
신호 전송은 상승 또는 하강 시간과 같이 신호의 상태가 바뀌는 순간에 중요합니다. 신호는 드라이버에서 수신기까지 이동하는 데 일정한 시간이 필요합니다. 이동 시간이 상승 또는 하강 시간의 절반 미만인 경우, 신호가 변경되기 전에 수신기에서 반사된 신호가 드라이버에 도달합니다. 이동 시간이 상승 또는 하강 시간의 절반보다 길면 변경 후 반사가 다시 발생합니다. 반사가 크면 합산된 파형이 로직 상태를 변경할 수 있습니다.
요컨대, 고품질 고속 PCB를 설계하려면 신호 무결성과 전력 무결성을 모두 고려해야 합니다. 또한 고속 신호와 고주파 신호의 차이점도 알아야 합니다. 직접적인 영향은 일반적으로 신호 무결성 문제로 나타나지만 근본 원인은 종종 전력 무결성으로 연결됩니다. 전력 무결성은 보드의 최종 신호 무결성에 직접적인 영향을 미칩니다.
보드 설계를 시작했는데 지연, 누화, 반사 또는 원치 않는 방출과 같은 문제가 발생하면 고속 PCB 설계 영역에 있는 것입니다.
고속 PCB 설계는 고속 회로를 위한 회로 기판의 레이아웃입니다. 이는 보드의 물리적 부품이 신호 무결성에 영향을 미치는 회로입니다. 이러한 물리적 요소에는 레이아웃, 스택업 및 상호 연결이 포함됩니다.
고속 PCB 설계를 할 때는 트레이스의 정확한 배치, 폭, 다른 신호와의 거리, 트레이스가 연결되는 부품 유형에 평소보다 더 많은 시간을 할애해야 합니다.
최신 전자기기는 에지 속도와 클럭 속도를 더 높입니다. 오늘날 많은 디지털 시스템의 신호 주파수는 100MHz 이상입니다. 이러한 속도에서는 전송 라인 효과가 PCB 트레이스에 나타나고 시스템 동작에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 고속을 위한 PCB 설계 프로세스는 고속으로 인해 발생하는 신호 무결성 문제를 해결하는 과정입니다. 사람들은 “고속 PCB”라는 용어를 많이 사용하는데, 고속 PCB 기판이란 정확히 무엇일까요?
디지털 회로의 속도가 약 45~50MHz에 도달하거나 이를 초과하고 해당 속도의 신호가 시스템의 1/3 이상을 차지할 때 고속이라고 보는 견해가 있습니다. 실제로 신호의 고조파 주파수는 기본 주파수보다 높습니다. 빠른 변화(상승 및 하강 에지 또는 전환)는 예기치 않은 전송 결과를 초래합니다. 일반적으로 회선의 전파 지연이 디지털 신호 상승 시간의 절반보다 크면 해당 신호는 고속 신호로 취급되며 전송 라인 효과가 중요합니다.
신호 전송은 상승 또는 하강 시간과 같이 신호의 상태가 바뀌는 순간에 중요합니다. 신호는 드라이버에서 수신기까지 이동하는 데 일정한 시간이 필요합니다. 이동 시간이 상승 또는 하강 시간의 절반 미만인 경우, 신호가 변경되기 전에 수신기에서 반사된 신호가 드라이버에 도달합니다. 이동 시간이 상승 또는 하강 시간의 절반보다 길면 변경 후 반사가 다시 발생합니다. 반사가 크면 합산된 파형이 로직 상태를 변경할 수 있습니다.
요컨대, 고품질 고속 PCB를 설계하려면 신호 무결성과 전력 무결성을 모두 고려해야 합니다. 또한 고속 신호와 고주파 신호의 차이점도 알아야 합니다. 직접적인 영향은 일반적으로 신호 무결성 문제로 나타나지만 근본 원인은 종종 전력 무결성으로 연결됩니다. 전력 무결성은 보드의 최종 신호 무결성에 직접적인 영향을 미칩니다.
보드 설계를 시작했는데 지연, 누화, 반사 또는 원치 않는 방출과 같은 문제가 발생하면 고속 PCB 설계 영역에 있는 것입니다.
고속 PCB 설계는 고속 회로를 위한 회로 기판의 레이아웃입니다. 이는 보드의 물리적 부품이 신호 무결성에 영향을 미치는 회로입니다. 이러한 물리적 요소에는 레이아웃, 스택업 및 상호 연결이 포함됩니다.
고속 PCB 설계를 할 때는 트레이스의 정확한 배치, 폭, 다른 신호와의 거리, 트레이스가 연결되는 부품 유형에 평소보다 더 많은 시간을 할애해야 합니다.
1. 신호 및 신호 무결성
일반 PCB 디자인이든 고속 PCB 디자인이든, 기판은 트레이스를 따라 엔드포인트에 신호를 보냅니다. 그렇다면 고속 신호란 무엇일까요? 아날로그와 디지털의 두 가지 주요 유형이 있습니다.
1.1 디지털 신호
디지털 신호는 아날로그 신호보다 간단합니다. 낮은 레벨과 높은 레벨의 연속입니다. 0과 1, 또는 꺼짐과 켜짐으로 생각할 수 있습니다.
1.2 아날로그 신호
아날로그 신호는 디지털 신호보다 더 다양합니다. 양수 및 음수로 변동될 수 있습니다. 신호는 진폭과 주파수에 따라 변화합니다.
회로를 설계할 때 이러한 일반적인 문제와 수정 사항을 염두에 두고 보드 성능을 개선하세요.
2. 일반적인 문제 및 해결 방법
2.1 문제
고속 PCB 설계는 매우 민감합니다. 프로젝트 중에 여러 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 다음은 주의해야 할 세 가지 일반적인 문제입니다.
- 타이밍: 신호 타이밍이 잘못되면 데이터가 손상될 수 있습니다. 타이밍 문제가 발생할 수 있으므로 모든 라우팅된 신호와 모든 클럭 신호가 다른 모든 신호와 비교하여 정확한 시간에 도착하는지 확인하세요.
- 왜곡: 신호 무결성이란 신호가 올바른 모양으로 도착한다는 의미입니다. 신호가 엔드포인트에서 제대로 보이지 않는다면 그 과정에서 왜곡이 발생했을 가능성이 높습니다.
- 소음: 모든 PCB에는 약간의 노이즈가 있습니다. 하지만 노이즈가 너무 많으면 데이터가 손상될 수 있습니다. 노이즈는 하나의 신호가 예기치 않게 울려 주변 신호에 영향을 미칠 때 종종 나타납니다.
2.2 솔루션
다행히도 이러한 문제는 이미 해결된 것으로 알려져 있습니다. 이러한 문제는 고속 설계의 핵심 부분입니다.
- 임피던스: 임피던스 제어는 많은 일반적인 PCB 문제에 대한 기본적인 해결책입니다. 송신기와 수신기 사이의 임피던스가 정확하면 신호 품질, 무결성 및 감도가 향상됩니다.
- 매칭: 길이 일치는 타이밍에 도움이 됩니다. 결합된 트레이스의 길이를 일치시키면 함께 도착하여 시계와 동기화 상태를 유지합니다.
- 간격: 트레이스 사이에 충분한 간격을 두면 노이즈 및 기타 간섭으로부터 트레이스가 보호됩니다. 간섭을 줄이려면 트레이스를 너무 가깝게 배치하지 마세요.
3. 고속 PCB 레이아웃
PCB를 고속으로 만드는 요소에 대해 이야기할 때 많은 레이아웃 규칙이 적용된다는 점을 기억하세요. 레이아웃을 일찍 계획하면 프로젝트를 일정에 맞추고 오류를 줄이는 데 도움이 됩니다.
3.1 회로도
첫 번째 단계는 회로를 회로도로 그리는 것입니다. 그리는 동안 신호 흐름에 대해 생각해 보세요. 왼쪽에서 오른쪽으로 자연스러운 흐름을 포착하고 가능한 한 많은 유용한 정보를 포함하세요.
3.2 요구 사항
명확한 PCB 레이아웃 지침을 작성하세요. 보드의 용도, 회로 스케치, 보드 스택업, 부품 배치, 트레이스와 회로 사이의 간격을 포함하세요. 또한 각 레이어에 어떤 유형의 신호가 들어가는지 기록해야 할 수도 있습니다. 예를 들어 RF를 사용하는 경우 RF PCB 설계를 고려하세요. RF 신호에는 특별한 요구 사항이 있습니다. 보드가 안정적으로 작동하는 데 필요한 모든 요구 사항을 고려하세요.
3.3 배치
컴포넌트 배치는 레이아웃에서 가장 중요한 부분 중 하나입니다. 보드에서 회로의 위치와 회로를 둘러싸고 있는 요소에 대해 생각해 보세요.
3.4 전원 바이패스
고속 회로의 노이즈를 줄이려면 증폭기 전원 핀을 바이패스하세요. 고속 연산 증폭기의 경우 두 가지 일반적인 바이패스 기술이 있습니다. 하나는 레일 투 그라운드 바이패스로, 대부분의 경우에 작동합니다. 다른 특수 기법도 경우에 따라 유용합니다.
3.5 기생 커패시턴스
기생은 고속 레이아웃에 몰래 들어가 문제를 일으키는 부유 커패시터 및 인덕터입니다. 기생은 쉽게 형성되어 설계를 망칠 수 있습니다. 고속 회로는 기생에 의해 쉽게 영향을 받습니다.
3.6 접지면
접지면은 기준 전압 역할을 하고, 차폐를 제공하며, 열 방출을 돕고, 표유 인덕턴스를 낮춥니다. 하지만 접지면은 기생 커패시턴스를 추가할 수도 있으니 주의하세요. 대부분의 경우 중단되지 않는 완전한 접지면을 원하고 이를 연속적으로 유지해야 합니다.
3.7 포장
연산 증폭기 및 기타 부품은 다양한 패키지로 제공됩니다. 패키지 선택은 고주파 성능에 영향을 미칩니다. 패키지는 기생 및 트레이스 라우팅에 영향을 미칩니다.
3.8 라우팅 및 차폐
라우팅과 차폐는 신호 간 간섭을 줄여줍니다. PCB 설계는 여러 가지 라우팅 및 차폐 방법을 제공합니다. 접지면은 좋은 차폐 수단입니다. 또한 인접한 레이어에서 트레이스를 직교로 라우팅하여 용량성 결합을 줄이고 트레이스를 더 멀리 떨어뜨릴 수 있습니다.
4. 프로젝트가 고속인지 확인하는 방법 4.
고속 PCB 설계에 대한 절대적인 단일 규칙은 없지만, 프로젝트가 고속인지 판단할 수 있는 몇 가지 실용적인 방법이 있습니다. 신호 무결성 문제는 분명한 신호입니다. 휴대폰이나 마더보드에서 작업하는 경우 고속 설계일 가능성이 높습니다. 특정 기술을 사용하는 것도 강력한 단서입니다.
- 보드에 고속 인터페이스가 있나요?
고속 설계 규칙을 따라야 하는지 확인하는 빠른 방법은 보드에 고속 인터페이스가 있는지 확인하는 것입니다. 예를 들어 DDR, PCIe, DVI 또는 HDMI와 같은 비디오 인터페이스가 있습니다. 이러한 모든 인터페이스에는 엄격한 고속 설계 규칙이 필요합니다. 또한 각 인터페이스에 대해 정확한 채널 사양을 문서에 포함하세요. - 신호 파장에 대한 트레이스 길이의 비율
일반적인 확인 사항은 추적 길이와 신호 파장 사이의 비율입니다. 트레이스 길이가 신호 파장과 같은 순서인 경우 보드에 고속 규칙이 필요할 수 있습니다. DDR과 같은 일부 표준은 엄격한 허용 오차를 충족하기 위해 트레이스 길이를 요구합니다. 간단한 경험 법칙은 트레이스 길이와 파장이 같은 순서 내에 있는 경우 고속 설계를 고려해야 한다는 것입니다. - 무선 또는 안테나 인터페이스가 있는 보드
안테나가 보드에 있든 커넥터로 부착되어 있든 안테나에 연결되는 모든 보드는 고속 및 RF 설계에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 차량용 안테나는 또한 엄격한 임피던스 제어와 트레이스 길이 조정이 필요합니다. SMA 커넥터 또는 유사한 RF 커넥터가 있는 경우 커넥터 값과 일치하도록 임피던스를 제어하여 배선하세요. - 분산 시스템 및 많은 하위 회로
프로젝트가 더 큰 시스템 내에서 독립적으로 작동할 수 있는 많은 하위 회로로 구성된 분산 시스템인 경우 고속 PCB 문제에 직면할 가능성이 높습니다. 여러 모듈, 많은 고속 링크 및 혼합 타이밍 도메인으로 인해 고속 설계 관리가 필요할 가능성이 높아집니다.
5. 고속 보드 재료
“고속 보드 재료”라는 용어는 업계에서 흔히 사용됩니다. 일반적으로 고속 PCB에 사용되는 저손실 재료를 의미합니다. 이러한 재료는 일반 FR-4에 비해 손실 탄젠트가 낮으며, 흔히 Df라고 합니다. Df란 무엇이며 신호에 어떤 영향을 미치나요?
유리 섬유 천이나 수지와 같은 절연 매체가 전기장 속에 놓이면 매체의 하전 입자가 분자 내부에 결합됩니다. 외부 필드는 미세한 변위를 일으킵니다. 그러면 매체의 쌍극자가 필드와 정렬됩니다. 이 효과를 유전체 편광이라고 합니다. 편광 과정에서 손실되는 에너지는 유전체 손실입니다. 재료 Df 값은 재료의 유전체 손실 정도를 측정합니다.
표준 보드 재료는 고속 재료보다 사인파를 더 많이 감쇠시킵니다. 이 효과는 더 높은 고조파 주파수에서 더 강합니다. 디지털 신호는 서로 다른 주파수의 여러 사인파로 구성됩니다. 이러한 사인파가 감쇠되면 디지털 신호의 에지가 저하되고 진폭이 떨어집니다. 에지 성능 저하는 전송 라인 대역폭을 감소시키고 신호 마진을 낮춥니다. 고속 소재를 사용하면 단위 길이당 손실이 줄어듭니다. 동일한 트레이스 길이의 경우 고속 소재는 더 높은 대역폭과 더 많은 마진을 제공합니다. 또는 동일한 손실 예산에서 고속 재료를 사용하면 더 긴 트레이스를 라우팅하면서도 성능을 충족할 수 있습니다.
간단한 비유가 도움이 될 수 있습니다. 연료 소비량이 다른 두 대의 자동차를 상상해 보세요. 자동차 A는 100km당 22리터를 사용합니다(Df: 0.022). 사람들은 이를 가스 낭비 차량이라고 부릅니다. 자동차 B는 100km당 4.5리터를 사용합니다(Df: 0.0045). 사람들은 이를 연료 절약형이라고 부릅니다. 연료가 50리터밖에 없고 목적지가 800km 떨어진 경우, 연료 절약기는 목적지까지 도달하지 못합니다. 연료 세이버가 도달하고 여전히 연료가 남아있을 것입니다. 목적지가 200km에 불과한 경우 연료가 거의 남지 않은 상태에서 주유기가 도달할 수 있으므로 여유가 적고 문제가 발생하면 여행이 위험할 수 있습니다. 연료 절약기는 더 나은 마진으로 여행을 처리합니다. 이 예는 때때로 고속 자료가 필요한 이유를 보여줍니다. 신호 속도가 높거나 트레이스 길이가 길거나 손실 예산이 빠듯한 경우 일반 재료로는 충분한 마진을 제공하지 못할 수 있습니다. 이러한 경우 고속 소재를 권장합니다.
고속 자료는 Df를 기준으로 등급이 나뉩니다. Df는 참고용일 뿐입니다. 디자인 작업에는 항상 재료 데이터 시트의 정확한 수치를 사용하세요.
유리 섬유 천이나 수지와 같은 절연 매체가 전기장 속에 놓이면 매체의 하전 입자가 분자 내부에 결합됩니다. 외부 필드는 미세한 변위를 일으킵니다. 그러면 매체의 쌍극자가 필드와 정렬됩니다. 이 효과를 유전체 편광이라고 합니다. 편광 과정에서 손실되는 에너지는 유전체 손실입니다. 재료 Df 값은 재료의 유전체 손실 정도를 측정합니다.
표준 보드 재료는 고속 재료보다 사인파를 더 많이 감쇠시킵니다. 이 효과는 더 높은 고조파 주파수에서 더 강합니다. 디지털 신호는 서로 다른 주파수의 여러 사인파로 구성됩니다. 이러한 사인파가 감쇠되면 디지털 신호의 에지가 저하되고 진폭이 떨어집니다. 에지 성능 저하는 전송 라인 대역폭을 감소시키고 신호 마진을 낮춥니다. 고속 소재를 사용하면 단위 길이당 손실이 줄어듭니다. 동일한 트레이스 길이의 경우 고속 소재는 더 높은 대역폭과 더 많은 마진을 제공합니다. 또는 동일한 손실 예산에서 고속 재료를 사용하면 더 긴 트레이스를 라우팅하면서도 성능을 충족할 수 있습니다.
간단한 비유가 도움이 될 수 있습니다. 연료 소비량이 다른 두 대의 자동차를 상상해 보세요. 자동차 A는 100km당 22리터를 사용합니다(Df: 0.022). 사람들은 이를 가스 낭비 차량이라고 부릅니다. 자동차 B는 100km당 4.5리터를 사용합니다(Df: 0.0045). 사람들은 이를 연료 절약형이라고 부릅니다. 연료가 50리터밖에 없고 목적지가 800km 떨어진 경우, 연료 절약기는 목적지까지 도달하지 못합니다. 연료 세이버가 도달하고 여전히 연료가 남아있을 것입니다. 목적지가 200km에 불과한 경우 연료가 거의 남지 않은 상태에서 주유기가 도달할 수 있으므로 여유가 적고 문제가 발생하면 여행이 위험할 수 있습니다. 연료 절약기는 더 나은 마진으로 여행을 처리합니다. 이 예는 때때로 고속 자료가 필요한 이유를 보여줍니다. 신호 속도가 높거나 트레이스 길이가 길거나 손실 예산이 빠듯한 경우 일반 재료로는 충분한 마진을 제공하지 못할 수 있습니다. 이러한 경우 고속 소재를 권장합니다.
고속 자료는 Df를 기준으로 등급이 나뉩니다. Df는 참고용일 뿐입니다. 디자인 작업에는 항상 재료 데이터 시트의 정확한 수치를 사용하세요.
5.1 공통 Df 범주(값은 10GHz에서 일반적인 참조 값입니다)
- 표준 손실 재료: Df < 0.022 @ 10GHz
- 중간 손실 재료: Df < 0.012 @ 10GHz
- 저손실 소재: Df < 0.008 @ 10GHz
- 손실이 매우 낮은 소재: Df < 0.005 @ 10GHz
- 초저손실 소재: Df < 0.003 @ 10GHz