2층 PCB 설계에서 디지털 신호를 라우팅할 수 있나요?

2층 PCB는 취미로 하는 사람들의 최고의 친구입니다. 설계 소프트웨어에서 정의하기 쉽고, 네트 카운트가 충분히 낮다면 라우팅도 간단합니다. 보통 2층으로만 이루어진 작업을 하지는 않지만, 이러한 보드를 제대로 사용하는 방법을 아는 것은 여전히 중요합니다. 똑똑하게 사용한다면, 이 보드들을 고속 인터페이스 라우팅에도 사용할 수 있습니다.

이 글에서는 고속 직렬 인터페이스를 사용할 2층 PCB를 설계할 때 중요한 몇 가지 규칙을 살펴보고자 합니다. USB나 SPI와 같은 것은 기본적인 라우팅 규칙을 따른다면 2층 회로 보드에서도 쉽게 구현할 수 있습니다. 아래에 제시할 내용은 2층 PCB 레이아웃에서 디지털 신호를 라우팅하는 시작점이 되어야 합니다.

주목할 한 가지 사항: 이러한 2-레이어 프로젝트에 EMC 테스트를 통과할 것이라는 기대를 가지고 착수해서는 안 됩니다. EMC를 보장하는 것은 전력, 접지, 인클로저, 보드에 있는 구성 요소 및 회로, 그리고 많은 다른 요소들과 관련된 많은 요인에 달려 있습니다. 이것이 2-레이어 PCB의 레이아웃 라우팅 부분을 신호 무결성 문제를 일으키지 않고 어떻게 수행할 수 있는지에 대한 좋은 소개가 되기를 바랍니다.

2-레이어 디지털 보드 시작하기

2-레이어 PCB 레이아웃은 대부분의 디자이너에게 보통 입문 수준이기 때문에 흥미롭습니다. 중간 속도의 MCU(아마도 5-10 ns 상승 시간), SPI와 같은 일반적인 직렬 버스, 그리고 간단한 고속 디지털 인터페이스를 포함하는 대부분의 설계는 너무 밀집되지 않고 기본 라우팅 규칙을 어기지 않는다면 2-레이어 보드에서도 잘 작동할 수 있습니다. 그러나 이러한 설계는 종종 많은 신호 무결성 규칙을 위반하고 과도한 EMI를 생성/수신합니다. 결과적으로, 보드는 기술적으로 의도한 대로 기능할 수 있지만, EMC 테스트를 통과하지 못할 수 있으므로 판매할 수 없을 것입니다.

먼저, 디지털 신호를 사용하는 2층 보드 디자인에서 생각해야 할 몇 가지 포인트가 있습니다:

• 임피던스 제어: 인터페이스 중에 임피던스 제어가 필요한 것이 있습니까? 그렇다면, 단일 종단 신호에 대해 표준 PCB 두께에서 임피던스 요구 사항을 충족시키기 어려울 수 있음을 기억하세요.
• 트레이스 길이: 2층 보드에서 임피던스 제어 요구 사항을 충족시킬 수 없기 때문에, 트레이스 길이를 어떤 중요 길이 이하로 유지해야 합니다. 일부 인터페이스는 임피던스에 관대하며 긴 중요 길이를 가지고 있지만, 길이 제한을 계산해야 합니다.
• 접지 접근: 디지털 라우팅에서 낮은 크로스토크와 낮은 EMI를 보장하기 위해, 명확한 반환 경로와 함께 접지에 접근할 수 있어야 합니다.
• 부품/넷 수: 2층 보드에서는 라우팅할 공간이 제한되어 있어서 너무 많은 부품을 가질 수 없습니다. 너무 많은 부품을 포함하려고 하고 라우팅에서 많은 교차가 발생하면, 4층 보드로 넘어가야 하거나 2층 보드를 너무 크게 만들어야 합니다.

디지털 신호와 임피던스

디지털 로직을 다룰 때, 특히 2층 보드에서는 모든 디지털 신호가 임피던스 요구사항을 가지고 있지 않다는 점을 주목하는 것이 중요합니다. 때로는 임피던스를 위반해도 인터페이스가 잘 작동할 수 있습니다. 이는 2층 보드에서 중요한데, 마이크로스트립을 라우팅하고 싶다면, 트레이스의 너비가 임피던스 목표를 달성하기 위해 특정 값이어야 합니다.

일반적으로 디지털 신호에 대해 볼 수 있는 임피던스 목표는 다음과 같습니다:

• 신호가 단독으로 취급될 때의 일부 단일 종단 임피던스 요구사항
• 신호가 함께 라우팅되어야 하는 차동 쌍에 대한 일부 차동 임피던스 요구사항

예를 들어, 표준 두께 62 mil 코어(Dk = 4.8)를 가진 2층 보드를 고려해 보겠습니다. 표준 50 옴 임피던스 목표를 달성하려면 거의 110 mil의 트레이스 폭이 필요합니다! 이는 매우 큰 트레이스 폭이며 실제 보드에 배치할 어떤 디지털 구성요소의 패드 크기보다 훨씬 큽니다. 이를 결정하기 위해, IPC 2141 공식을 기반으로 한 온라인 마이크로스트립 임피던스 계산기를 사용했습니다.

온라인 계산기는 가장 정확한 결과를 제공하지 않지만, 위의 결과는 중요한 점을 설명합니다: 2층 PCB에서 고립된 단일 종단 트레이스에 대한 임피던스 제어를 수행하고 레이아웃에 모든 것을 맞출 수는 없습니다. 분명히, 이는 고속 신호와 매우 작은 전기 길이를 가진 단일 종단 트레이스를 포함하는 DDR 메모리 사용을 배제할 것입니다.

제어 임피던스 인터페이스를 사용하는 경우 트레이스의 길이 제한을 설정해야 할 때입니다. 신호의 상승 시간 동안 신호가 이동하는 거리가 트레이스의 길이보다 훨씬 길면 트레이스의 임피던스는 중요하지 않습니다. 이 경우, 신호는 전파 중에 부하의 임피던스만을 인식합니다. 정확한 길이 제한은 여러 요소에 따라 다르지만, 매우 보수적인 규칙은 신호가 이동하는 거리의 1/10에 해당하는 트레이스 길이 제한을 설정하는 것입니다.

예를 들어, 위 이미지의 전파 지연을 사용해 보겠습니다. 5 ns 상승 시간 신호가 있습니다. 위의 경우, 전파 속도는 약 6.8 inch/ns입니다. 따라서 5 ns 상승 시간 신호가 있다면, 신호는 상승 시간 동안 34인치를 이동하므로, 최대 트레이스 길이는 이의 1/10인 3.4인치가 됩니다. 실제로는 1/10 길이 제한보다 조금 덜 보수적일 수 있습니다. 1/4 길이 제한을 설정한다면, 트레이스의 임피던스에 대해 걱정하기 전에 최대 트레이스 길이는 8.5인치가 될 것입니다.

수신기 쪽 채널에서 얼마나 많은 임피던스 위반을 용납할 수 있는지에 따라, 길이가 짧다면 전형적인 디지털 프로토콜을 사용하여 2층 보드를 구현할 수 있는 자유가 분명히 있습니다.

차동 임피던스는 어떨까요?

독자 여러분이 알고 계시듯이, 대부분의 고속 인터페이스는 단일 종단 임피던스가 아닌 차동 임피던스를 중요시합니다. 위에서 본 바와 같이, 단일 트레이스는 대부분의 사양에서 볼 수 있는 50 옴 임피던스 값을 달성하기 위해 용납할 수 없을 정도로 커야 합니다. 특성 임피던스 트레이스 폭 요구 사항이 너무 클 때 2층 보드에서 차동 임피던스 값을 어떻게 달성할 수 있을까요?

일부 인터페이스는 실제로 길이가 일치하는 단일 종단 트레이스로 라우팅할 수 있습니다.또는밀접하게 결합된 차동 쌍으로! USB는 완벽한 예입니다: 종단 방식은 쌍의 각 끝을 단일 종단 트레이스로 개별적으로 처리하므로, 여전히 단일 종단 임피던스 사양을 충족해야 합니다. 이것을 어떻게 가능하게 할 수 있을까요?

이 경우, 차동 임피던스를 얻기 위해 계산기를 사용해야 하며, 반환된 폭과 여유 값을 사용하여 단일 종단 사양을 충족했는지 확인해야 합니다. 2층 보드에서는 위에서 찾은 폭을 차동 임피던스 계산기에 그대로 입력할 수 없습니다. 그렇게 하면 필요한 트레이스 간격이 약 10인치라는 결과를 얻게 됩니다! 분명히 이는 실용적이지 않습니다. 실제로, 목표 임피던스에 필요한 트레이스 폭과 간격을 계산하면, 동일면 마이크로스트립 배열에 대해 폭 10밀과 간격 6밀 정도가 될 것입니다. 이는 훨씬 더 합리적입니다.

이것이 의미하는 바는:

• 차동 쌍에서 필요한 트레이스 폭은 단일 트레이스의 특성 임피던스를 충족하기 위해 필요한 트레이스 폭과 같을 필요가 없다는 것입니다. 차동 쌍에서 단일 종단 트레이스 폭은 목표 차동 임피던스의 절반인 이상 모드 임피던스를 정의합니다. 이상 모드 임피던스 값은 특성 임피던스 값과 다릅니다.

이것은 중요한 구분입니다. 즉, 차동 인터페이스의 경우 위에서 보여준 특성 임피던스에 대한 트레이스 폭을 그냥 가져다가 차동 임피던스 계산기에 입력하여 간격을 얻어서는 안 된다는 의미입니다. 차동 쌍의 트레이스가 서로 가까워질 때, 그 사이의 결합은 단일 종단 신호 임피던스를 줄이고 2층 PCB에서도 필요한 트레이스 폭을 더 작게 만듭니다. 이 주제에 대해 다가오는 두 개의 기사에서 이에 대해 더 논의할 것이며, 2층 보드에서 USB 사용하기의 예를 살펴볼 것입니다.

디지털 신호를 위한 일부 2층 라우팅 지침

이 기본 지침의 목표는 2층 보드의 구조를 고려할 때 가능한 한 낮은 노이즈를 가진 디지털 설계를 보장하는 것입니다.

1. 하단 레이어에 접지 평면을 배치하고, 상단 레이어에 디지털 구성 요소와 라우팅을 배치하세요. 이것은 라우팅하는 동안 임피던스 제어에 도움이 되지 않지만, 노이즈 제어를 돕고 비아를 통해 접지에 쉽게 접근할 수 있게 하기 위해 이 작업을 수행해야 합니다.
2. 전원 및 신호 라우팅에 고정된 트레이스 폭을 사용하세요. 디지털 신호 라우팅에는 8-10 밀 트레이스가 적합하며, 신호가 접지면으로 다시 전환될 때는 12-14 밀 비아가 적합합니다. 고전류를 다루는 경우에는 다각형을 사용하여 전원을 라우팅할 수 있지만, 대부분의 경우 넓은 트레이스로 충분합니다.
3. 안정적인 전원과 낮은 접지 바운스를 보장하기 위해 디커플링/바이패스 커패시터를 사용하세요. 2층 보드는 접지 바운스와 전원 레일의 일부 노이즈를 보일 수 있지만, 디커플링/바이패스 커패시터는 이러한 노이즈를 감쇠시킬 것입니다.

다음 2층 보드 시리즈에서는 USB에 대한 이 설계 지침을 어떻게 구현하는지 보여드리겠습니다. USB는 확실히 고속 디지털 인터페이스로 간주될 수 있습니다. USB에 익숙하다면, 이것이 고속 인터페이스이며 종종 임피던스 제어 라우팅이 필요하다는 것을 알고 있을 것입니다. 그러나 위에 표시된 지침을 사용하면, 이 인터페이스를 사용하는 기능적인 2층 보드를 얻을 수 있습니다. 단지, 완전히 노이즈가 없는 보드를 가질 수는 없으므로, 이 레이아웃이 자동으로 EMC 테스팅을 통과할 것이라고 기대하지 마십시오. 그러나, 뒷면에 일관된 접지면을 두고 비아를 통한 레이어 변경을 제한하면서 신호를 올바르게 라우팅한다면, 좋아하는 마이크로컨트롤러를 위한 개발 보드로 잘 작동할 것이며, 운이 좋다면 문제 없이 사용할 수도 있습니다.

디지털 신호를 지원할 수 있는 2층 보드를 설계해야 할 때는 CircuitMaker의 PCB 설계 도구를 사용하세요. 모든 CircuitMaker 사용자는 아이디어에서 생산까지 디자인을 이동시키기 위해 필요한 회로도, PCB 레이아웃, 제조 문서를 생성할 수 있습니다. 사용자는 또한 Altium 365 플랫폼에서 개인 작업 공간에 접근할 수 있으며, 클라우드에 디자인 데이터를 업로드하고 저장하고, 안전한 플랫폼에서 웹 브라우저를 통해 프로젝트를 쉽게 볼 수 있습니다.

오늘 CircuitMaker를 사용하기 시작하세요 그리고 새로운 CircuitMaker Pro from Altium에도 주목하세요.