PCB 트레이스 길이에 관한 모든 것: 얼마나 길면 너무 긴가요?

가끔 독자로부터 흥미를 끄는 질문을 받고, 그것이 활발한 토론, 연구 탐구, 또는 질의응답 세션으로 이어지곤 합니다. 최근에 받은 질문 중 하나는 PCB 트레이스 길이, 신호 표준, 그리고 구성 요소 사양과 관련이 있습니다. 여기 그 질문의 다듬어진 버전이 있습니다:

고속 트레이스의 일반적인 길이 제한은 얼마인가요?

이 질문은 여러 각도에서 접근할 수 있기 때문에 항상 재미있습니다. 이 경우, 구성 요소는 표준 라미네이트(Dk ~4 및 Df ~0.02, 대역폭의 상위 범위에서)에서 PCIe를 통해 고속으로 작동하고 있었습니다. 엣지 커넥터에서 수신기까지의 트레이스 길이를 늘리는 것이 문제의 실마리를 제공하고 있으며, 구성 요소가 증가된 거리를 견딜 수 있고 여전히 채널에서 신호를 복구할 수 있는지 여부가 관건입니다.

이 채널에서 견딜 수 있는 최대 PCB 트레이스 길이를 조사하는 방법은 무엇일까요? 현실은 어떤 신호 표준에 대해서도 단일 최대 PCB 트레이스 길이 값이 없다는 것입니다. 대신 신호가 전파됨에 따라 채널에서의 손실을 살펴봐야 합니다. 이 특정 구성 요소의 경우, 답은 상당히 놀라웠습니다. 계속 읽어서 더 알아보세요.

답변: 전체 손실을 살펴보세요

두 구성 요소 사이에 배치할 수 있는 최대 PCB 트레이스 길이는 여러 요소에 따라 달라집니다. 이러한 요소에는 다음이 포함됩니다:

• 신호 프로토콜: 신호 표준은 인터커넥트가 설계되어야 하는 최소 성능 수준을 지정합니다. 이러한 요구 사항은 설계가 작동한다는 것을 보장하지 않지만, 설계 목표를 위한 기준을 제공합니다.
• 구성 요소 사양: 일부 구성 요소는 신호 표준의 요구 사항을 초과할 수 있지만, 이것이 채널이 작동한다는 것을 보장하지는 않습니다.
• PCB 라미네이트 및 손실: PCB 라미네이트에서 발생하는 모든 손실은 신호 진폭을 감소시키고 왜곡을 일으키므로, 트레이스 길이를 결정할 때 이러한 손실 원인을 포함해야 합니다.
• 스큐와 위상 왜곡: 스큐는 섬유 직조 효과로 인해 라우팅 경로에 따라 일부 경우에 누적될 수 있습니다. 이는 주로 ~20 GHz 및 그 이상의 주파수에서 신호를 차지하는 부분에서 문제가 되며, 신호의 위상 왜곡을 일으킵니다.

트레이스를 따라 손실이 누적됩니다

이 모든 것을 염두에 두고, 채널을 따라 손실이 어디에서 누적되는지 살펴보겠습니다. 아래 이미지는 고려 중인 예제 채널에서의 총 손실을 보여줍니다. 이러한 손실 중 일부는 트레이스의 길이에 따라 뭉쳐져 있습니다. 손실이 어디에서 발생하든, 우리는 단순히 모든 손실을 dB로 합산하고, 원한다면 이를 소수 감쇠 값으로 다시 변환할 수 있습니다.

여기서의 요점은 다음과 같습니다: 손실이 어디에서 오는지는 정말 중요하지 않습니다, 그것들은 모두 합쳐져 수신기에 도달하는 전력을 제한할 것입니다. 신호가 회복할 수 없을 정도로 많은 손실을 견딜 수 있는 것은 한계가 있기 때문에, 총 손실은 PCB 트레이스 길이를 최대값으로 제한할 것입니다.

누적 삽입 손실

개별 트레이스를 따라 삽입 손실(단위는 dB로 지정됨)은 길이에 따라 달라지며, 길이와 전파 상수의 실수 부분과 관련이 있습니다:

전파 상수와 인터커넥트의 길이를 알고 있다면, 총 손실을 알 수 있습니다. 그것은 단지 인터커넥트를 따라 각 인터페이스에서의 삽입 손실과 반환 손실의 합입니다. 원한다면, 이 관계를 삽입 손실에 대해 뒤집어 적절한 손실과 최대 트레이스 길이를 결정할 수 있습니다(전파 상수를 결정할 수 있는 한).

길이가 지정된 경우는 어떻게 될까요?

잠시 원래 질문으로 돌아가 보겠습니다. 이 교환에서, 수신 컴포넌트는 손실 예산이나 실제 트레이스 길이가 아닌 시간 측면에서 최대 PCB 트레이스 길이를 지정했습니다. 즉, 인터커넥트를 따라 신호가 이동하는 군속도/위상 속도(또는 전파 지연)를 알고 있다고 가정합니다. 분산에 대해 알고 있다면, 신호의 속도가 주파수에 따라 달라지기 때문에 PCB 트레이스 길이 매칭 대 주파수를 해야 한다는 것을 알게 될 것입니다.

특정 길이가 지정되었든, 시간이 지정되었든, 어느 값이든 특정 PCB 기판과 트레이스 형상에만 적용됩니다. 다른 PCB 기판 재료나 트레이스 형상을 사용하는 경우, 길이 값은 더 이상 유효하지 않습니다. 이는 해당 트레이스 길이를 따라 경험하는 손실이 다르기 때문입니다. 이 경우, 지정된 최대 PCB 트레이스 길이를 상호연결에서 최대 손실에 해당하는 전파 상수를 사용하여 새로운 트레이스 길이로 변환해야 합니다. 다음 비율을 사용할 수 있습니다:

여기서 γ는 신호의 전파 상수이고, L은 길이 값입니다. 여기서, γ의 실제 값을 취했는데, 이는 상호연결을 따라 손실을 알려줍니다. 위의 첫 번째 방정식을 보면, 왼쪽 항이 단지 손실 예산임을 쉽게 알 수 있습니다. 이러한 값들을 적절한 전파 상수 값과 함께 취하면 새로운 최대 PCB 트레이스 길이를 얻을 수 있습니다.

시뮬레이션과 필드 솔버가 도움이 될 수 있습니다

설계 수준에서 몇 가지 단계를 수행하여 과도한 손실을 방지하기 위해 허용되는 트레이스 길이를 늘릴 수 있습니다:

• 낮은 손실 재료 사용, 예를 들어 PTFE 기반 라미네이트
• 손실이 낮은 커넥터 선택
• 불필요한 비아 제거 및 비아 스터브 백드릴
• 손실이 낮아지도록 트레이스 기하학적 형태를 수정해 보세요

인터커넥트에 대한 시간 또는 길이 제약이 주어진 경우, 새로운 길이를 결정하기 위해 기존 및 새 인터커넥트의 전파 상수만 있으면 됩니다. Altium Designer를 사용하는 경우, Layer Stack Manager를 사용하여 임피던스 제어 네트의 전파 지연을 계산하고, 이를 사용하여 관련 넷 클래스에 트레이스 길이 제한을 설정할 수 있습니다.

S-파라미터 추출과 같은 보다 고급 계산을 위해, Altium Designer® 사용자는 EDB Exporter 확장 프로그램을 사용하여 설계를 Ansys 필드 솔버로 가져올 수 있습니다. 이는 프로토타이핑 실행을 시작하기 전에 강력한 필드 솔버 애플리케이션으로 설계를 검증하는 간단한 방법입니다.

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