멀티 보드 PCB 설계에서 EMI 및 신호 무결성 문제를 제거하세요
현대 전자기기는 점점 더 성능, 모듈성, 확장성을 요구하는 최첨단 응용 프로그램에 대응하기 위해 멀티보드 PCB 시스템에 의존하고 있습니다. 항공우주 시스템부터 고급 컴퓨팅 클러스터에 이르기까지 이러한 설계는 기술적 한계를 넘어서지만, 복잡한 도전과제도 도입합니다. 가장 중요한 문제 중에는 전자기 간섭(EMI)과 신호 무결성(SI)이 있습니다. 관리가 잘 되지 않는 연결, 일관성 없는 접지 또는 불충분한 차폐는 신호 열화, 시스템 불안정, 심지어 규제 실패로 이어질 수 있습니다.
이 기사는 이러한 도전과제를 해결하기 위한 실용적인 전략을 탐구하며, 엔지니어가 레이아웃 디자인, 접지, 연결, 전력 전달 및 열 관리를 최적화하여 신뢰할 수 있는 상호 연결된 멀티보드 시스템을 구축하는 방법에 초점을 맞춥니다.
멀티보드 디자인은 단순히 상호 연결된 PCB들 이상입니다. 그것들은 전기적, 열적, 기계적 요소가 충돌하는 생태계입니다. 단일 보드 디자인과 달리, 상호 연결된 멀티보드 시스템은 커넥터, 케이블 또는 플렉스 회로를 사용하여 보드 간에 신호를 전달합니다. 이러한 전환은 잠재적 약점을 만듭니다: 커넥터에서의 임피던스 불일치는 신호를 반사시킬 수 있고, 트레이스의 긴 스터브는 조율 포크처럼 공명할 수 있으며, 일관성 없는 접지는 노이즈에 대한 안테나로 반환 경로를 전환할 수 있습니다.
예를 들어, 프로세서 보드에서 메모리 모듈로 이동하는 고속 신호가 임피던스가 맞지 않는 커넥터를 만나게 되면, 이 불연속성은 반사를 일으켜 신호를 왜곡시키고 타이밍 오류를 초래할 수 있습니다. 마찬가지로, 민감한 아날로그 보드 아래에 쌓인 전력 보드에서 발생하는 열은 구성 요소의 동작을 변경하여 성능을 미묘하게 저하시킬 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하려면 전기적 정밀도와 기계적 실용성을 균형 있게 고려하는 종합적인 접근 방식이 필요합니다.
기초 다지기: PCB 레이아웃 및 라우팅
튼튼한 PCB 멀티보드 시스템으로 가는 여정은 신중한 PCB 레이아웃으로 시작됩니다. 고속 신호는 왜곡과 노이즈를 피하기 위해 세심한 라우팅을 요구합니다. 하나의 기본 규칙은 트레이스, 커넥터, 케이블 전반에 걸쳐 제어된 임피던스를 유지하는 것입니다. 이는 연결된 멀티보드 시스템의 목표 임피던스, 일반적으로 50 또는 100 옴에 맞는 트레이스 폭과 유전 재료를 선택하는 것을 의미합니다. 예를 들어, 서버 백플레인의 10 Gbps 직렬 링크는 신호 손실을 방지하기 위해 정밀한 트레이스 기하학이 필요합니다.
라우팅할 때는 고속 신호를 우선시하여 연속적인 접지면 위에 명확한 경로를 제공합니다. 이러한 접지면은 전자기장을 포함하는 방패 역할을 하며 안정적인 반환 경로를 제공합니다. 민감한 트레이스를 소음이 많은 전력선과 나란히 라우팅하지 마십시오. 왜냐하면 유도 결합이 노이즈를 주입할 수 있기 때문입니다. 대신, 상호 작용을 최소화하기 위해 직각으로 라우팅하십시오.
크로스토크는 또 다른 조용한 파괴자입니다. 고속 트레이스 간의 간격을 늘리면 용량성 및 유도성 결합이 감소합니다. 차동 쌍의 경우, 밀접하게 결합된 라우팅은 노이즈가 상쇄되도록 보장하며, 직각 꺾임을 피함으로써 임피던스 스파이크를 방지합니다. 고속 USB 트레이스의 한 쌍을 상상해 보세요: 갑작스러운 90도 회전은 고속도로에서 차가 급격히 방향을 바꾸는 것처럼 반사를 일으킬 수 있습니다.
접지: EMC 및 신호 무결성의 핵심
접지는 종종 사후 처리로 여겨지지만, PCB 다중 보드 시스템에서는 EMC 및 SI의 근간입니다. 단편화된 접지 전략은 보드 간의 전압 차이로 인해 순환 전류가 발생하여 노이즈를 방사하는 그라운드 루프를 초래할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 모든 보드에 걸쳐 단일 통합 접지 기준을 설정합니다. 특정 보드에 신호 분리기나 격리된 DC/DC 컨버터가 포함된 경우, 다른 접지 영역 간에 명확한 구분을 만듭니다. 고주파 방사 방출을 억제하기 위해 적용 가능한 경우, Y형 안전 커패시터를 사용하여 접지를 연결하면서 DC 갈바닉 분리 및 ESD 보호를 유지합니다.
이를 제대로 수행하는 방법의 예를 보려면 다음 비디오를 시청하세요:
각 영역에서 연속적인 접지면은 마찬가지로 매우 중요합니다. 이들은 임피던스 변동을 최소화하고 전자기 차폐 역할을 합니다. 보드를 쌓을 때, 레이어 사이에 접지면을 삽입하여 노이즈를 격리하세요. 예를 들어, 쌓인 IoT 센서 모듈에서 RF 레이어와 디지털 레이어 사이에 접지면을 두면 라디오 간섭이 센서 데이터를 손상시키는 것을 방지할 수 있습니다.
접지 스티칭 비아—접지 레이어를 연결하는 작은 도금된 구멍—는 또 다른 강력한 도구입니다. 고속 커넥터나 소음이 많은 구성 요소 주변에 전략적으로 배치하면 저임피던스 반환 경로를 보장합니다. 이 비아들을 복잡한 레이아웃을 걸쳐 접지 네트워크를 일관되게 유지하는 다리로 생각하세요.
인터커넥트: 타협 없는 보드 연결
커넥터와 케이블은 상호 연결된 멀티 보드 시스템의 생명선이지만, EMI 및 SI 문제의 주요 원인이기도 합니다. 올바른 신호 무결성 커넥터를 선택하는 것은 다리 설계를 선택하는 것과 유사합니다: 트래픽(신호 속도)을 처리할 수 있어야 하며(손실을 도입하지 않고) 무너지지 않아야 합니다. PCB의 트레이스 임피던스와 일치하는 임피던스 제어 커넥터를 선택하세요. 예를 들어, 매칭된 임피던스를 가진 고속 PCIe 커넥터는 보드 간의 원활한 신호 전환을 보장합니다.
Stub 길이—커넥터나 트레이스에서 의도하지 않은 분기들은 또 다른 함정입니다. 복도에서의 메아리처럼, stub들은 공명 반사를 일으킬 수 있습니다. 신호 경로를 가능한 직접적으로 유지하고, 불필요한 분기는 피하세요. 커넥터를 통해 라우팅할 때는 신호가 빗나가지 않고 깨끗하게 전환되도록 합니다.
케이블 선택도 중요합니다. 꼬인 쌍선이나 동축 케이블은 노이즈를 거부하는 데 뛰어나며, 차폐된 변형은 추가적인 방어층을 제공합니다. 의료 영상 시스템의 클록 라인과 같은 중요한 신호의 경우, 차폐된 케이블은 외부 간섭에 대한 방어막 역할을 합니다.
전력 공급: 소음 없이 불을 밝히기
안정적인 전력 공급은 모든 전자 시스템의 생명선이지만, 멀티 보드 디자인에서는 한 보드의 노이즈가 다른 보드로 파급될 수 있습니다. 디커플링 캐패시터는 첫 번째 방어선입니다. IC 전원 핀 근처에 배치하는 것은 위험 옆에 소방관을 배치하는 것과 같아—그들은 전압 스파이크를 즉시 억제할 수 있습니다. 저주파 노이즈에는 대용량 캐패시터를, 고주파 리플에는 작은 캐패시터를 결합하세요.
잘 설계된 전력 분배 네트워크(PDN)는 EMI를 줄이는 데 도움이 됩니다. 넓은 전력 트레이스는 저항과 전압 강하를 최소화하며, 전력선에 설치된 페라이트 코어는 고주파 잡음을 필터링합니다. 공통 모드 초크와 저역 통과 필터를 통합함으로써 전도성 EMI를 추가로 억제할 수 있으며, 이는 원치 않는 신호가 시스템 작동에 방해되는 것을 방지합니다. 전력 평면의 적절한 접지도 매우 중요합니다. 여러 전력 평면은 다른 전압 도메인 간에 잡음이 전파되는 것을 방지하기 위해 공통 접지 참조에 연결되어야 합니다.
열 관리: 타협 없는 냉각
열은 신호 무결성의 침묵하는 적입니다. 온도가 상승함에 따라 재료가 팽창하여 트레이스 임피던스와 구성 요소의 동작이 변경됩니다. 멀티 보드 설정에서 한 보드의 열이 다른 보드로 전달될 수 있습니다. 열 비아—전도성 재료로 채워진 작은 구멍—는 열을 핫스팟에서 멀리 채널링하는 열의 고속도로 역할을 합니다. 예를 들어, GPU 클러스터에서 프로세서 아래의 열 비아는 열을 금속 코어로 전달하고, 그 후에 히트싱크가 열을 분산시킵니다.
능동 냉각, 예를 들어 팬이나 액체 시스템은 고전력 응용 프로그램에 필수적입니다. 그러나 한 구성 요소를 냉각하는 동안 다른 구성 요소를 과열하지 않도록 공기 흐름을 최적화해야 합니다. 3D 열 시뮬레이션에 의해 안내되는 통풍구와 덕트의 전략적 배치는 균일한 냉각을 보장합니다.
재료 선택도 역할을 합니다. 금속 코어 PCB나 알루미늄 나이트라이드와 같은 높은 열 전도성을 가진 기판은 보드 자체를 방열판으로 전환할 수 있습니다. 자동차 제어 장치에서 이러한 재료는 근처의 트레이스가 변형되는 것을 방지하여 신호의 정확성을 유지합니다.
기계적 통합: 형태가 기능을 만나는 곳
PCB 멀티 보드 시스템의 기계적 설계는 그것의 전기 설계만큼 중요합니다. 케이블과 하네스는 인덕턴스와 크로스토크를 최소화하기 위해 배선되어야 합니다. 전력 케이블과 신호 케이블을 분리하여 노이즈 결합을 피하는 것이 좋습니다. 그것들을 서로 공간이 필요한 경쟁하는 형제자매로 생각하세요.
진정한 3D 모델링과 고급 MCAD 통합을 제공하는 ECAD 도구, 예를 들어 Altium Designer는 엔지니어가 제작 전에 보드와 케이블이 어떻게 맞물리는지 시각화할 수 있게 해줍니다. 이는 예를 들어 커넥터가 방열판과 충돌하는 것과 같은 마지막 순간의 놀라움을 방지합니다. 케이블 클램프나 유연한 PCB 섹션과 같은 스트레인 릴리프 메커니즘은 기계적 스트레스로부터 연결을 보호하여 수명을 보장합니다.
결론: 멀티 보드 시스템에 탄력성 구축
멀티 보드 PCB 시스템을 설계하는 것은 PCB 레이아웃 모범 사례, 접지 전략, 최적화된 상호 연결, 효과적인 전력 분배 및 열 관리를 통합하는 포괄적인 접근 방식을 요구합니다. 엔지니어는 현대 도구를 활용하고 업계 모범 사례를 따르면서 EMI 및 신호 무결성 문제를 선제적으로 해결해야 합니다.
전자 시스템의 복잡성이 증가함에 따라, 견고한 PCB 하네스 디자인과 EMI 제어는 더 이상 선택 사항이 아닙니다. 다음 세대 멀티 보드 PCB 설계에서 신뢰성, 규정 준수 및 성능을 보장하기 위해 필수적입니다.
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