EMI 제어 마스터하기: 더 나은 EMI를 위한 크로스토크 방지

시리즈의 여섯 번째 기사인 PCB 설계에서 EMI 제어 마스터하기에 오신 것을 환영합니다. 이 기사에서는 크로스토크가 신호 무결성과 EMI에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 탐구하고, 설계에서 이를 해결하기 위해 어떤 조치를 취해야 하는지 논의할 것입니다.

그림 1 - Altium Designer^®에서의 PCB 설계 예

크로스토크는 현대 인쇄 회로 기판(PCB) 설계에서 가장 자주 마주치는 문제 중 하나입니다. PCB의 밀도가 계속 증가함에 따라, 이 현상은 더욱 흔해지고 있습니다. 보드의 더 작은 영역에 더 많은 고속 인터페이스를 통합하는 추세는 도전을 가중시키며, 컴팩트한 레이아웃은 트레이스 간의 근접성을 증가시켜 크로스토크의 가능성을 크게 높입니다.

본질적으로, 신호 크로스토크는 하나의 넷(또는 트레이스)에서 다른 넷으로 전기 신호가 의도치 않게 전달되는 것을 말합니다. 이는 한 트레이스를 따라 이동하는 신호에 의해 생성된 전자기장이 인접한 트레이스와 상호 작용할 때 발생합니다. 이 컨텍스트에서 원래 신호를 운반하는 트레이스는 일반적으로 "공격자"로, 원치 않는 신호를 받는 트레이스는 "피해자"로 알려져 있습니다.

그림 2 - 크로스토크가 회로에서 어떻게 나타날 수 있는지의 예

전자기 간섭(EMI) 분야에서 크로스토크는 시스템 내의 간섭 원인일 뿐만 아니라 다른 장치를 방해하는 전자기 방출의 원천이 될 수 있기 때문에 매우 중요합니다. 크로스토크와 관련하여 중요한 점은 신호 전류가 전파되는 신호 트레이스 사이에서만 발생하는 것이 아니라, 반환 전류가 원래의 소스로 되돌아가는 반환 참조 도체에서도 발생한다는 것입니다. 이것이 “그라운드 바운스”와 같은 현상이 발생하는 곳으로, 반환 참조 도체에서 발생하는 크로스토크의 한 사례입니다.

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크로스토크와 그 영향 이해하기

크로스토크 현상은 주로 두 가지 이유로 발생합니다: 도체 간의 용량성 결합과 유도성 결합입니다. 두 개 이상의 트레이스가 너무 가까이 배치되어 있고, 신호 전압과 전류가 시간에 따라 변할 때, 신호 트레이스 가장자리의 프린지 필드(전기 및 자기 필드)가 (공격자라고 불리는) 인근 트레이스(피해자)에 결합하여 이 인근 트레이스에 원치 않는 노이즈를 발생시킵니다.

PCB 설계자의 업무는 크로스토크를 줄이고 EMI를 효과적으로 감소시키기 위해 이러한 프린지 필드가 다른 도체에 미치는 영향을 최소화하여 한 트레이스에서 다른 트레이스로 노이즈가 전파되지 않도록 하는 것입니다.

그림 3 - 신호 트레이스 사이의 유도성 및 용량성 결합 예

EMI 측면에서, PCB 트레이스나 이 트레이스에 연결된 전선, 또는 도체로부터 발생하는 노이즈가 방출될 때 문제가 됩니다.

크로스토크의 유형

크로스토크를 다룰 때, 두 가지 유형을 구분하는 것도 중요합니다: 근단 크로스토크(NEXT)와 원단 크로스토크(FEXT).

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근단 크로스토크, NEXT라고도 불리며, 신호가 전송되는 전송선의 같은 끝에서 발생하는 크로스토크 유형입니다. 본질적으로, 회로의 전송 끝에서 가까운 도체에 의해 포착되는 간섭입니다.

원단 크로스토크, 또는 FEXT는 신호가 전송되는 전송선의 반대 끝에서 발생하는 크로스토크를 말합니다. 회로의 수신 끝에서 가까운 도체에 의해 포착되는 간섭입니다. 주요 차이점은 NEXT는 소스 끝에서 가까운 곳에서 발생하는 반면, FEXT는 목적지 끝에서 가까운 곳에서 발생한다는 것입니다. NEXT는 신호 전파의 역방향(반대 방향)에서 발생하는 반면, FEXT는 신호 전파의 방향(전방 방향)으로 발생합니다.

Altium Designer^®에서의 실용적인 예시와 레이아웃 전략

신호 크로스토크의 복잡성에 너무 깊이 들어가지 않고, 그 영향을 줄이는 여러 방법이 있습니다. 이러한 기술들은 대부분 PCB 레이아웃을 설계하는 방식에 따라 달라지며, 이는 PCB를 기하학적으로 설계하는 방식이 매우 중요하다는 것을 의미합니다. 크로스토크를 줄이는 가장 효과적인 방법은 실제로 PCB 상에서 서로 대한 도체의 배치 방식과 관련이 있습니다.

우리가 사용할 수 있는 첫 번째 전략 중 하나는 도체 사이의 공간을 늘려 전기 및 자기장이 서로 결합하지 않도록 하는 것입니다.

그림 4 - 개선 전후의 신호 트레이스 간격 예시

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또 다른 기술은 신호 트레이스와 반환 참조 평면 사이의 공간을 줄이는 것입니다. 이렇게 하면 신호 필드가 반환 참조 평면과 긴밀하게 결합되어, 이러한 필드가 다른 도체로 퍼지는 것을 줄일 수 있습니다.

또한, 신호 도체와 반환 참조 도체의 길이를 줄이면 서로 다른 네트 간의 결합량이 줄어듭니다. 이는 직관적으로, 도체가 노출되는 정도가 적을수록 다른 도체와의 노이즈 결합 가능성이 줄어든다는 것을 의미합니다.

그림 5 - Altium Designer^®

와 함께 밀접하게 연결된 신호 및 반환 참조 평면의 3D 뷰 크로스토크를 줄이는 또 다른 일반적인 방법은 IC, 커넥터 및 PCB 트레이스에 효과적으로 적용되며, 다른 신호의 반환 경로에 대해 다중 도체를 제공하는 것입니다.

이는 예를 들어 리본 케이블이나 다른 커넥터를 사용할 때 여러 신호 네트에 대해 하나의 단일 반환 도체를 사용하는 대신 여러 반환 경로를 사용하는 것을 의미합니다.

Altium Designer^®

와 함께하는 시뮬레이션 전략 우리의 회로 레이아웃에서 크로스토크에 대해 교육된 추측에 의존하는 대신, 정확한 계산을 위해 고급 도구를 사용하는 것이 중요합니다.

Altium Designer^®에 내장된 신호 무결성 기능은 이 목적을 위한 강력한 도구입니다. 이 기능을 사용하면 PCB 트레이스를 통한 크로스토크를 시뮬레이션하고 분석할 수 있어 정확한 예측과 크로스토크 수준에 대한 더 깊은 이해를 가능하게 합니다. 이 도구를 사용함으로써 우리는 더 큰 정밀도로 우리의 설계를 정제하고 최적화할 수 있습니다.

그림 6 - Altium Designer^®를 사용한 크로스토크 시뮬레이션 예시

시그널 무결성 도구는 다양한 설계 상의 선택을 평가하는 데 도움이 되는 상세한 시뮬레이션을 제공합니다. 이러한 선택 사항을 이해하는 것은 간섭을 최소화하고 최적의 성능을 달성하기 위해 필수적입니다. 이 도구에서 얻은 통찰력은 단순한 추측만으로 얻은 것보다 훨씬 더 신뢰할 수 있습니다.

그림 7 - Altium Designer^®에서 시그널 무결성 도구를 사용한 크로스토크 평가 예시

이 고급 도구를 활용하면 성능 요구 사항과 레이아웃 제약 사항을 균형 있게 결정할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 회로의 신뢰성과 기능성을 향상시키고, 신호 무결성 및 EMI 성능을 개선하며, 전체 설계 효율성을 증가시킵니다.

결론

결론적으로, 우리의 PC 보드에서 신호 크로스토크를 효과적으로 줄이고 EMI 성능을 개선하기 위해, 우리는 여러 전략을 사용할 수 있습니다. Altium Designer의 내장된 시그널 무결성 도구 사용은 PCB 레이아웃에서 크로스토크를 정확하게 예측하고 완화하는 데 없어서는 안 될 도구입니다. 이 도구는 데이터에 기반한 결정을 내릴 수 있게 하여, 우리의 설계가 필요한 사양을 충족하고 다양한 조건에서 신뢰성 있게 수행되도록 합니다.

만약 "PCB 설계에서 EMI 제어 마스터하기" 시리즈의 이전 기사를 놓쳤다면, 모든 유익한 내용을 따라잡기 위해 Altium 페이지를 방문하는 것을 강력히 권장합니다.

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이 최첨단 도구들은 설계 워크플로의 효율성과 효과성을 향상시키기 위해 고안된 다양한 강력한 기능을 제공하여, PCB 프로젝트에서 고품질의 결과를 쉽게 달성할 수 있게 해줍니다.