다층 PCB에서 직교 트레이스 라우팅의 장단점

포럼, 일부 블로그 게시물, 심지어 애플리케이션 노트에서도 2-6 레이어 보드에서 직교 라우팅 사용을 계속 권장하는 질문들을 가끔 보게 됩니다. 애플리케이션 노트를 볼 때, 저는 보통 Rick Hartley의 조언을 기본으로 삼고 이 조언을 맥락 속에서 생각해보려고 합니다. 불행히도, 애플리케이션 노트의 권장 사항은 항상 경계를 가지고 받아들여지지 않으며, 적용되지 않는 상황에서 종종 적용됩니다.

이 글은 직교 트레이스 라우팅을 언제 사용하지 않아야 하는지에 대해, 자동 라우터에서 구성하는 방법이나 비슷한 주제보다는 더 많은 내용을 다룹니다. 만약 여러분이 오랜 기간 동안 초고속/고주파 분야에서 일해왔다면, 이것은 여러분에게 새로운 정보가 아닐 것입니다. 나머지 사람들에게는, 종종 맥락 없이 제공되는 오래된 정보로 돌아가는 유혹이 있습니다. 이는 특히 직교 트레이스 라우팅에 해당됩니다.

나쁜 스택업은 라우팅에서 크로스토크를 유발합니다

제가 디자이너들이 직교 라우팅을 사용하라는 추천을 처음 본 것은 StackExchange에서였습니다. 이 웹사이트는 많은 주제에 대해 훌륭한 자원이며, 소프트웨어와 코딩에 관련된 모든 것을 위한 제 첫 번째 자원입니다. 전자 및 PCB 설계가 점점 더 복잡해지면서, 이 사이트와 다른 사이트에서의 추천사항을 맥락을 고려하지 않고 적용하기 쉬워, 이러한 설계 선택이 보드의 실패를 초래하는 경우가 있습니다.

최근에 한 클라이언트가 오래된 설계의 업그레이드를 디버깅하는 데 도움을 요청했습니다. 클라이언트는 아래에 표시된 6층 스택업과 함께 클래식한 직교 트레이스 라우팅 추천을 사용하기로 결정했습니다. 이 스택업에서, 상위 두 층과 하위 두 층은 신호 층입니다. 이 층들에서의 트레이스는 IC들 사이에서 직교로 라우팅되었고, 층 전환을 위해 표준 관통 홀 비아가 사용되었습니다.

고속 신호와 함께 이 간단한 6층 스택업을 사용하지 마세요...

경험 많은 디자이너라면 이미 이 상황에서 무엇이 문제인지 알고 있을 것입니다. 문제는 엔지니어가 스택업을 변경하지 않고 400 MHz에서 동작하는 새로운 MCU를 사용하여 설계를 업그레이드하려고 했지만, 과도한 크로스토크로 인해 EMC 테스팅을 통과하지 못했다는 것입니다.

이 시점에서 해결책은 명백해야 합니다; 적층 구조를 제대로 설계하십시오 그러면 고속 신호의 에지 속도를 다룰 때 직교 라우팅에만 의존하지 않고도 신호 무결성을 보장할 수 있습니다. 결국 이 문제는 전력 무결성 문제로 밝혀졌는데, 이는 직교 라우팅과는 덜 관련이 있고 층 배열과 더 관련이 있습니다. 그러나 이는 다음과 같은 질문을 제기합니다: 직교 라우팅을 언제 사용해야 하나요?

직교 트레이스 라우팅이 적용되는 경우는?

직교 라우팅은 두 가지 가능한 상황에서 사용됩니다:

• 다른 층에서 수직 및 수평 라우팅 채널을 만들기 위해
• 인접한 층의 트레이스 사이에서 커패시티브 크로스토크를 방지하기 위해 그들 사이의 결합 영역을 최소화하기 위해

첫 번째 사용은 완전히 적절하며, 적층 구조가 올바르게 설계되었다면(아래 참조) 라우팅을 훨씬 쉽게 만들 수 있습니다.

신호 무결성과 관련하여, 두 인접한 신호 층 사이에서 직교 라우팅을 사용할 때 다음과 같은 점점 더 어려운 크로스토크 문제가 있습니다:

• 낮은 에지 속도에서는 인접 신호 레이어에서도 크로스토크가 적게 발생합니다 (UART, I2C 등에 적용).
• 더 빠른 에지 속도에서 (예: SPI)는 더 고급 칩에서 크로스토크를 관찰할 수 있습니다.
• 차동 쌍에서는 수신기에서 취소할 수 없는 차동 크로스토크가 발생합니다.
• 매우 빠른 에지 속도 (서브-ns)에서는 더 많은 크로스토크와 방사된 방출을 관찰할 수 있습니다.

신호 무결성을 위해 이것이 어떻게 작동해야 하나요? 공격자 디지털 신호가 전파될 때, 그것은 자기장을 생성하고, 신호의 스위칭 에지는 트레이스 주변 영역에서 변화하는 자기 플럭스를 생성합니다; 이것은 유도성 크로스토크입니다. 두 라인 사이에는 전기장도 있습니다; 공격자 신호가 스위칭될 때, 그것은 피해 라인에서 변위 전류를 유도합니다; 이것은 용량성 크로스토크입니다.

인접한 레이어에서 연결선이 직교 방향(수직 방향)으로 라우팅될 때, 한 트레이스의 자기장은 항상 다음 레이어의 피해 트레이스가 형성하는 도체 루프와 평행하게 배향되어, 직접적인 유도성 크로스토크를 효과적으로 제거합니다. 이 설명은 기술적으로 정확하지만, 실제 PCB 스택업과 레이아웃의 다른 중요한 측면을 고려하지 않는 지나치게 단순화된 설명입니다. 직교 라우팅을 사용할 때 주요 문제는 스위칭 속도, 디커플링, 그리고 신뢰할 수 있는 반환 경로를 정의하는 것과 관련이 있습니다. Rick Hartley는 최근 인터뷰에서 이러한 중요한 라우팅 및 스택업 측면에 대해 논의합니다.

유도 결합이 없음에도 불구하고, 트레이스 간의 작은 교차 영역에도 불구하고 여전히 정전 용량성 결합이 있습니다. 반환 경로를 제대로 설계하지 않았다면, 신호 레이어 1과 그 지상 사이의 전기장(위 이미지 참조)이 레이어 2의 신호로 단순히 상호 정전 용량을 통한 전위 차이로 인해 역결합할 수 있어, 정전 용량성 크로스토크를 발생시킵니다. 정전 용량성으로 결합된 신호가 보는 임피던스는 신호 에지 속도가 빠를 때 낮아져, 피해 트레이스에서 더 강한 전류 펄스를 생성합니다.

이와 같은 고급 설계는 직교 트레이스 라우팅을 사용하지 않을 것입니다.

낮은 에지 속도에서는 직교 라우팅을 사용하더라도 용량성 크로스토크를 눈치채지 못할 수 있습니다. 여전히 발생하지만, 피해 트레이스에 연결된 구성 요소의 노이즈 마진을 뚫고 나올 만큼 충분히 크지 않을 수 있습니다. 저속에서는 유도 결합된 신호가 더 낮은 임피던스를 보므로, 유도 결합을 최소화하기 위해 인접한 신호 레이어에서 직교로 라우팅하고자 할 것입니다. 낮은 에지 속도에서 작업하는 것은 인접한 신호 레이어에서 직교 트레이스 라우팅이 적절한 경우 중 하나입니다. 나머지 우리에게는, 보통 에지 속도 측면에서 나노초 이하에서 작업하고 있으며, 이는 신호 레이어 사이에 신중한 차폐/격리, 신중하게 설계된 반환 경로, 그리고 초안정 전력 공급이 필요합니다. 모든 것은 적절한 PCB 스택업 설계에 달려 있습니다.

직교로 라우팅하되, 접지 사용하기

여기서의 요점은 간단합니다: 직교 라우팅은 신호 무결성 문제, 특히 빠른 에지 속도로 인한 크로스토크에 대한 해결책이 아닙니다. 그러나 직교 라우팅은 구성 요소 그룹 사이에 채널을 만드는 데 매우 유용합니다. 제대로 사용하기 위해서는 스택업이 두 신호 레이어 사이에 접지를 가지고 있어야 합니다.

아래 예시에서, 저희의 레거시 멀티레이어 디자인 중 하나를 보여드리는데, 외부 표면에 신호 레이어가 있습니다. L2는 접지이며 L3에는 직교 라우팅 채널이 포함되어 있습니다. 이러한 두 수직 방향의 라우팅 유형은 서로 다른 레이어에서 라우트를 위한 슈퍼하이웨이를 만듭니다. 라우팅은 매우 깔끔하게, 두 개의 다른 채널로 나뉘어져 있으며, 보드 양쪽의 구성 요소에서 나오는 관통 홀 비아를 통해 쉽게 접근할 수 있습니다. 이는 중앙 MCU와 보드 상단의 RAM 칩 사이를 라우팅하기 쉽게 만듭니다.

아래에 스택업이 표시되어 있습니다. 이 스택업은 두 개의 내부 신호 레이어를 사용하지만, L4는 제어 핀과 전원 레일에 할당되었습니다. 두 개의 내부 접지면을 가진 4-레이어 보드에서도 같은 라우팅 스타일을 구현할 수 있습니다. 여기서 주요 지침은 두 신호 레이어 사이를 접지가 분리하는 한 직교 라우팅이 괜찮다는 것입니다.

이는 PCB 레이아웃에서 스마트한 부품 배치에 중점을 둡니다. 특히 커넥터의 경우가 그렇습니다. 하지만, 커넥터를 원하는 곳에 항상 배치할 수 있는 것은 아닙니다. 실제 제품에서는, 케이스로 들어오는 케이블, 케이스 내 다른 보드, 부품의 이상한 핀배열, 커넥터의 이상한 핀배열 등에 의해 제약을 받을 수 있습니다. 커넥터 문제는 아마도 가장 큰 도전이 될 것입니다. 왜냐하면 핀배열이 표준화되었거나 다른 제품에 의해 핀배열이 제약을 받는 경우, 특히 라우팅을 심각하게 제약할 수 있기 때문입니다. 이 경우 커넥터와 관련하여, 맞춤형 케이블/하네스 디자인을 통해 핀배열을 제어할 수 있다면, 직교 라우팅 전략을 더 쉽게 구현할 수 있습니다.

Altium Designer^®의 라우팅 및 레이어 스택 디자인 기능은 보드와 레이아웃을 생성하기 위한 최선의 선택입니다. 규칙 기반 설계 엔진은 레이아웃을 생성하면서 반환 경로 검사 및 기타 중요한 DRC를 제공합니다. 어떤 애플리케이션을 위한 최고 품질의 PCB를 설계할 수 있습니다. 또한 Altium Designer의 사후 레이아웃 시뮬레이션 도구를 사용하여 신호 동작의 다양한 측면을 시뮬레이션할 수도 있습니다.

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