고속 PCB 설계에서의 EMI: 신호 상승 시간 이해하기

요즘 아이들은 인근 회로 간에 전자기 신호 결합이 왜 "크로스토크"라고 불리는지 전혀 모릅니다. 전화기가 벽에 꽂혀 있었고 터치 스크린이나 인터넷 접속 기능이 없던 시절, 다른 사람의 대화가 자신의 전화선을 통해 희미하게 들리는 경우가 있었습니다. 고속 PCB도 같은 문제인 크로스토크를 경험하며, 이는 보드 내 트레이스에서 디지털 신호가 전파되는 행동과 관련이 있습니다.

크로스토크와 EMI를 이해하는 것은 PCB 내부든 외부 소스에서든, 한 트레이스의 신호가 다른 트레이스와 어떻게 상호 작용하는지를 이해하는 것을 요구합니다. 실제 고속 설계에서 크로스토크를 평가할 수 있다면, EMI와 크로스토크를 줄이기 위해 설계가 어떻게 변경되어야 하는지 쉽게 결정할 수 있습니다. 중간 속도의 설계에서는 잘 작동하는 몇 가지 경험칙이 있지만, 보드 스핀을 거치기 전에 고속 설계가 크로스토크를 어떻게 경험할지 더 잘 이해하기 위해 시뮬레이션을 사용하는 것이 도움이 됩니다.

"고속 설계" 용어 분석

이 블로그의 다른 곳에서도 지적했듯이, 여기서 다시 한 번 강조할 가치가 있습니다: 고속 설계는 높은 클록 주파수나 높은 데이터 전송률을 의미하지 않습니다. 고속 신호는 빠른 상승 시간을 가지며, 이는 두 전압 레벨 간의 빠른 전환을 의미합니다. 이는 다중 레벨 신호에도 적용되며, 여기서는 다양한 신호 레벨 간에 매우 빠른 전환이 있습니다. 더 빠른 신호 상승/하강 시간은 PCB의 다양한 부분에서, 특히 크로스토크에서 더 강한 EMI 문제를 일으킬 수 있습니다. 시스템 클록 주파수가 상당히 낮더라도 이는 사실입니다. 더 빠른 클록 주파수는 EMI로 인한 장애가 더 자주 발생한다는 것을 의미할 뿐입니다.

고속 설계에서 주요 EMI 문제는 다음과 같습니다:

• 크로스토크, 주로 저주파에서는 유도 결합 때문에, 매우 높은 주파수에서는 용량성 결합 때문에 발생
• 방사된 EMI, 디지털 신호에서 발생하는 EMI가 DC부터 시스템 클록의 여러 배수에 이르는 넓은 주파수 범위에 걸쳐 방사됨
• 전원 버스 글리치, 공급 전압 바운스와 전력 바운스를 포함하여, 전원 레일과 접지 사이에서 측정된 DC 리플에 리플을 생성함
• 전도된 EMI, 한 연결에서의 노이즈가 다른 구성 요소, 회로 또는 연결로 전달되는 경우, 비록 이것이 디지털 구성 요소에서는 문제가 덜 함

차동 쌍 라우팅에서도 같은 효과가 발생한다는 점에 유의하십시오. 이는 차동 모드 크로스토크 및 EMI로 이어집니다. 고속 디지털 PCB에서의 이러한 EMI 측면은 모두 신호 전환의 상승/하강 시간과 관련이 있습니다.

EMI와 스위칭 속도

이 모든 것은 PCB에서의 신호 전환 속도와 관련이 있습니다. 이러한 EMI의 측면은 전형적인 디지털 신호의 대역폭 때문에 고속 설계에서 도전적이 됩니다. 디지털 신호의 전력은 DC부터 매우 높은(기술적으로 무한한) 주파수까지 집중됩니다. 특히, 대략적인 추정에 따르면, 전력의 70%가 DC부터 신호 상승/하강 시간(10%에서 90%까지)의 역수의 약 3분의 1에 해당하는 무릎 주파수까지 집중됩니다.

예시 디지털 신호의 전력 스펙트럼 밀도.

이 모든 것은 상승 시간이 더 빠를수록 EMI가 더 강렬하다는 것을 의미합니다. 일반적으로 어떤 상황에서도 느린 구성 요소를 선택할 수 없기 때문에, 설계자들은 고속 설계에서 EMI를 억제하기 위해 몇 가지 간단한 조치를 취해야 합니다.

고주파 아날로그 대 고속 디지털 신호

저에게 배운 많은 엔지니어들은 디지털 신호를 파동으로 생각하지 않고, 디지털 신호를 켜짐 또는 꺼짐으로만 보며, 전기장이 디지털 신호를 전달하는 인터커넥트 전체에 존재한다고 생각합니다. 매우 낮은 인터커넥트 길이에서는 이것이 기술적으로 맞지만, 짧은 인터커넥트가 더 많거나 적은 EMI를 보여주는 것은 아닙니다. 상승하는 신호 전환은 단일 주파수가 아닌 다양한 주파수에서 EMI를 생성합니다.

디지털 신호와 비교할 때, 아날로그 신호는 간단합니다. 주로 신호 주파수와 전자기파의 유한한 속도로 인한 전파 지연에 신경 써야 합니다. 주어진 인터커넥트에서 진동 주기(즉, 신호 주파수의 역수)와 전파 지연 사이의 비교는 전송선로 동작에 대해 걱정해야 하는지와 트레이스 종단이 중요해지는지를 결정합니다.

가능한 해결책: 만능 해결책은 없습니다

고속 디지털 신호에서 EMI를 완전히 제거할 수는 없지만, 여러 방법을 사용하여 억제할 수 있습니다:

• 트레이스 크기 설정: 중요한 트레이스를 접지면 바로 위로 라우팅하고 약간 넓은 트레이스를 사용하면 루프 인덕턴스가 감소하여 발생 및 수신되는 크로스토크의 양이 줄어듭니다.
• 접지된 구리: PCB 상의 공격자와 피해자 트레이스 사이에 접지된 트레이스를 라우팅할 수 있으며, 이는 크로스토크에서 약 20 dB의 감소를 제공할 수 있습니다. 이 접지 트레이스는 공격자와 피해자 트레이스 모두에 대한 접지 기준과 일치해야 합니다. 접지된 폴리곤 푸어를 사용하여 트레이스와 다른 회로 블록 사이의 공간을 채울 수도 있습니다.
• 격리 구조: PCB의 표면층에 있는 몇 가지 독특한 구조는 매우 높은 주파수에서 격리를 제공할 수 있습니다. 이러한 구조는 중요한 회로 블록 주변에 접지된 구리 벽과 같이 간단할 수도 있고, 현대 스마트폰에서 사용되는 복잡한 전자기 대역 갭 구조일 수도 있습니다.
• 내부 레이어: 내부 레이어에서 라우팅하는 것을 두려워하지 마세요, 하지만 내부 스트립라인이 올바른 임피던스를 가질 수 있도록 임피던스 제어 설계 규칙을 적용해야 합니다.

밀집된 트레이스가 있는 파란색 PCB

고속 설계에서 크로스토크로 인한 EMI를 억제하려고 시도할 때 여러 가지 도전이 발생합니다. 다행히도, 업계 최고의 PCB 설계 도구인 Altium Designer^®를 사용하면 라우팅이 과도한 크로스토크를 경험하지 않을 것임을 확인할 수 있습니다. 최고의 PCB 설계 및 레이아웃 도구에 접근할 수 있어 라우팅과 보드 문서화를 자동화하는 데 도움이 되며, EMI 내성을 염두에 두고 설계할 수 있도록 신호 무결성 분석 도구에도 접근할 수 있습니다.

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